JPWO2019244830A1 - Carbon fiber and method for producing the same - Google Patents

Carbon fiber and method for producing the same Download PDF

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Abstract

炭素繊維強化複合材料の成形加工時に破損しにくく、優れた炭素繊維強化複合材料の弾性率を発現する炭素繊維を得ることを課題とする。ストランド弾性率が360GPa以上の炭素繊維であって、ストランド強度が3.5GPa以上かつ単繊維直径が6.0μm以上であり、さらに以下の要件のうち一つ以上を満たす炭素繊維である。(イ)片方の端を固定端、もう一方の端を繊維束の軸に対する回転が可能な自由端としたとき、残存する撚り数が2ターン/m以上である(ロ)炭素繊維としての単繊維繊度(g/km)とフィラメント数(本)の積である総繊度が740g/km以上である。また、単繊維弾性率Es(GPa)とループ破断荷重A(N)が式(1)の関係を満たす炭素繊維である。A≧−0.0017×Es+1.02 ・・・式(1)また、単繊維直径が6.0μm以上であり、ストランド弾性率E(GPa)と450℃における加熱減量率が0.15%以下で評価した結節強度B(MPa)との関係が式(2)を満たし、撚り数が20〜80ターン/mである炭素繊維である。B≧6.7×109×E−2.85・・・式(2)【選択図】なしAn object of the present invention is to obtain a carbon fiber that does not easily break during the molding process of a carbon fiber reinforced composite material and exhibits an excellent elastic modulus of the carbon fiber reinforced composite material. A carbon fiber having a strand elastic modulus of 360 GPa or more, a strand strength of 3.5 GPa or more, a single fiber diameter of 6.0 μm or more, and one or more of the following requirements. (A) When one end is a fixed end and the other end is a free end that can rotate about the axis of the fiber bundle, the number of remaining twists is 2 turns/m or more. (b) A single carbon fiber The total fineness, which is the product of the fiber fineness (g/km) and the number of filaments (pieces), is 740 g/km or more. Further, it is a carbon fiber in which the single fiber elastic modulus Es (GPa) and the loop breaking load A (N) satisfy the relationship of the formula (1). A≧−0.0017×Es+1.02 Formula (1) Further, the single fiber diameter is 6.0 μm or more, and the strand elastic modulus E (GPa) and the heating loss rate at 450° C. are 0.15% or less. The carbon fiber has a relationship with the knot strength B (MPa) evaluated in Equation (2) and has a twist number of 20 to 80 turns/m. B≧6.7×109×E-2.85 Formula (2) [Selection diagram] None

Description

本発明は、炭素繊維およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to carbon fiber and a method for producing the same.

炭素繊維は比強度、比弾性率に優れ、炭素繊維強化複合材料の強化繊維として用いることにより部材の大幅な軽量化が可能となることから、エネルギー利用効率の高い社会の実現に不可欠な材料の一つとして幅広い分野で利用されている。近年、自動車や電子機器筐体などを初めとしたコスト低減の要求の強い分野においても適用が進んでおり、成形コストまで含めた最終部材コストの低減が強く求められている。 Carbon fiber has excellent specific strength and specific elastic modulus, and by using it as a reinforcing fiber of a carbon fiber reinforced composite material, it is possible to significantly reduce the weight of the member, making it an essential material for realizing a society with high energy efficiency. It is used in a wide range of fields as one. In recent years, application has been advanced in fields where there is a strong demand for cost reduction, such as automobiles and electronic device housings, and there is a strong demand for reduction of the final member cost including the molding cost.

最終部材コストを効果的に低減するためには、炭素繊維自身のコストダウンだけでなく、炭素繊維の性能向上による必要量低減や成形加工性の改善による成形コスト低減といった総合的なアプローチが重要である。 In order to effectively reduce the cost of the final member, it is important not only to reduce the cost of the carbon fiber itself, but also to reduce the required amount by improving the performance of the carbon fiber and the molding cost by improving the molding processability. is there.

しかしながら、例えば最終部材としての重要特性の一つである剛性を維持しつつ炭素繊維の使用量を減らすこと目指す場合、既存の高弾性率炭素繊維を単純に適用しただけでは、必ずしも最終部材のコストダウンにはならないことが多い。これは既存の高弾性率炭素繊維の生産性が低く、高価となりやすいことや、成形加工性が低いことにより最終部材までのトータルでの加工コストが高くなりやすいことによる。炭素繊維の成形加工性は、例えば糸束としてのハンドリング性の良さや、毛羽立ちにくさ、炭素繊維強化複合材料を連続生産する場合は炭素繊維ボビンの切り替え時に必要となる糸繋ぎのしやすさなど、最終部材になるまでの様々な工程での取扱い性や工程通過性によって決まる。 However, when aiming to reduce the amount of carbon fiber used while maintaining rigidity, which is one of the important characteristics as the final member, for example, simply applying the existing high elastic modulus carbon fiber does not necessarily mean the cost of the final member. Often does not go down. This is because the existing high-modulus carbon fiber has low productivity and tends to be expensive, and the low processability of molding tends to increase the total processing cost up to the final member. Moldability of carbon fiber is, for example, good handleability as a yarn bundle, difficulty in fluffing, and ease of thread connection required when switching carbon fiber bobbins when continuously producing carbon fiber reinforced composite materials. It is determined by the handling and processability in various processes until it becomes the final member.

また近年は、特にコストを低減することを重視する用途を中心に、炭素繊維を不連続繊維として利用するケースが増えてきている。一般的に、炭素繊維を不連続繊維として利用する場合、成形加工プロセスにおけるせん断や折り曲げにより、炭素繊維の繊維長が短くなりやすい。既存の高弾性率炭素繊維は特にこの傾向が強く、炭素繊維の引張弾性率が高くても、それに応じて最終部材の剛性が効果的に向上するわけではない。 Further, in recent years, the number of cases in which carbon fibers are used as discontinuous fibers is increasing, particularly for applications that place importance on cost reduction. Generally, when carbon fibers are used as discontinuous fibers, the fiber length of the carbon fibers tends to be shortened due to shearing or bending in the molding process. The existing high-modulus carbon fiber has such a strong tendency, and even if the tensile modulus of the carbon fiber is high, the rigidity of the final member is not effectively improved accordingly.

最も広く利用されているポリアクリロニトリル系炭素繊維は、炭素繊維前駆体繊維を200〜300℃の酸化性雰囲気下で耐炎化繊維へ転換する耐炎化工程、300〜2000℃の不活性雰囲気下で炭素化する炭素化工程を経て工業的に製造される。また、ポリアクリロニトリル系の高弾性率炭素繊維は、さらに最高温度3000℃の不活性雰囲気下で黒鉛化する黒鉛化工程を経て工業的に製造される。かかる黒鉛化工程は、炭素繊維の引張弾性率を効果的に高めることができる反面、高温に対応した設備が必要となったり、炭素繊維中の結晶成長が促進されることによって、得られる炭素繊維の引張強度や圧縮強度などが低いものとなったりしやすい。そして、このような高弾性率炭素繊維は先述した炭素繊維としての生産性や、炭素繊維強化複合材料を得るにあたっての成形加工性が低いものとなりやすく、不連続繊維として用いた場合に繊維長が短くなりやすい。 The most widely used polyacrylonitrile-based carbon fiber is a flame-resistant process of converting a carbon fiber precursor fiber into a flame-resistant fiber in an oxidizing atmosphere of 200 to 300° C., and a carbon in an inert atmosphere of 300 to 2000° C. It is industrially manufactured through a carbonization process that transforms into carbon. Further, the polyacrylonitrile-based high elastic modulus carbon fiber is industrially manufactured through a graphitization step of graphitizing in an inert atmosphere at a maximum temperature of 3000°C. Such a graphitization step can effectively increase the tensile elastic modulus of the carbon fiber, but on the other hand, equipment corresponding to high temperature is required or the crystal growth in the carbon fiber is promoted, so that the resulting carbon fiber can be obtained. It tends to have low tensile strength and compressive strength. And, such a high elastic modulus carbon fiber tends to have low productivity and productivity as a carbon fiber described above, and moldability in obtaining a carbon fiber reinforced composite material, and a fiber length when used as a discontinuous fiber. It tends to be short.

黒鉛化以外の方法で炭素繊維の引張弾性率を高める方法もいくつか提案されている。その一つとして炭素繊維の製造工程において高い張力を付与する方法が提案されている。 Several methods of increasing the tensile elastic modulus of carbon fibers by methods other than graphitization have also been proposed. As one of them, a method of applying high tension in the production process of carbon fibers has been proposed.

特許文献1、2には、ポリアクリロニトリル共重合体の分子量を制御することにより、炭素化工程において高い張力を付与しても、毛羽の発生を抑制できる技術が提案されている。 Patent Documents 1 and 2 propose a technique in which generation of fluff can be suppressed by controlling the molecular weight of the polyacrylonitrile copolymer even when high tension is applied in the carbonization step.

特許文献3では、耐炎化工程、予備炭素化工程において高延伸することによって、ストランド弾性率を高める技術が提案されている。 Patent Document 3 proposes a technique of increasing the strand elastic modulus by performing high stretching in the flame resistance step and the preliminary carbonization step.

さらに、特許文献4〜7では炭素繊維前駆体繊維束に交絡を加えることによって、特許文献8および9では撚りを加えることによって炭素化工程における工程通過性を向上させる技術が提案されている。 Further, Patent Documents 4 to 7 propose techniques for improving process passability in a carbonization process by adding entanglement to a carbon fiber precursor fiber bundle and Patent Documents 8 and 9 for adding twist.

特許文献10には、交絡や有撚により予備炭素化繊維束の試長依存性を制御して高張力で炭素化することによって、得られる炭素繊維のストランド弾性率を高めつつ、炭素繊維とマトリックスとの接着性の低下を抑制する技術が提案されている。 In Patent Document 10, by controlling the trial length dependency of the pre-carbonized fiber bundle by entanglement or twisting and carbonizing it with high tension, the strand elastic modulus of the obtained carbon fiber is increased, and the carbon fiber and the matrix are increased. A technique for suppressing a decrease in adhesiveness with is proposed.

特許文献11には、炭素繊維前駆体繊維束の共重合組成を制御することで、単繊維繊度が大きくても結節強度が高く、成形加工性に優れた炭素繊維が提案されている。 Patent Document 11 proposes a carbon fiber having high knot strength and excellent moldability by controlling the copolymerization composition of the carbon fiber precursor fiber bundle even if the single fiber fineness is large.

また、特許文献12には、同様にして、単繊維直径が太くても機械的特性の低下が抑制された炭素繊維が提案されている。 Similarly, Patent Document 12 proposes a carbon fiber in which deterioration of mechanical properties is suppressed even if the diameter of a single fiber is large.

国際公開第WO2008/047745号International Publication No. WO2008/047745 特開2009−256833号公報JP, 2009-256833, A 国際公開第WO2008/063886号International Publication No. WO2008/063886 特開2001−49536号公報JP 2001-49536 A 特開平10−195718号公報JP, 10-195718, A 特開2000−160436号公報JP, 2000-160436, A 特公昭47−026964公報Japanese Patent Publication No. 47-026964 特開昭56−091015号公報JP-A-56-091015 特開2002−001725号公報JP, 2002-001725, A 特開2014−141761号公報JP, 2014-141761, A 国際公開第WO2013/157613号International Publication No. WO2013/157613 国際公開第WO2013/157612号International Publication No. WO2013/157612

しかしながら、従来の技術には次のような課題がある。 However, the conventional techniques have the following problems.

特許文献1、2では、ポリアクリロニトリル共重合体の分子量を制御しているが、それによる炭素化工程における限界延伸張力の向上効果は小さく、大きなストランド弾性率の向上が見込めるものではなかった。 In Patent Documents 1 and 2, the molecular weight of the polyacrylonitrile copolymer is controlled, but the effect of improving the critical stretching tension in the carbonization step due to this is small, and a large improvement in the strand elastic modulus cannot be expected.

特許文献3では、予備炭素化工程までの延伸比は高く設定しているものの、炭素繊維のストランド弾性率を向上させやすい炭素化工程における延伸比が低く、大きなストランド弾性率向上が見込めるものではなかった。 In Patent Document 3, although the stretch ratio up to the preliminary carbonization step is set high, the stretch ratio in the carbonization step, which easily improves the strand elastic modulus of the carbon fiber, is low, and a large improvement in strand elastic modulus cannot be expected. It was

特許文献4〜9では、炭素化工程の延伸比を高めることには何ら着目されておらず、それらに着目する思想もなかった。 In Patent Documents 4 to 9, no attention is paid to increasing the stretching ratio in the carbonization step, and there is no idea to pay attention to them.

特許文献10では、ストランド弾性率とマトリックスとの接着性、ストランド強度を高いレベルで両立できることが示されており、炭素化工程の通過性も良好であったことが示されている。しかしながら、炭素繊維強化複合材料を得る際の成形加工性や、不連続繊維として用いた際の繊維折損に関しては何ら着目されておらず、それらに着目する思想もなかった。 Patent Document 10 shows that the strand elastic modulus, the adhesiveness to the matrix, and the strand strength can be compatible at a high level, and that the passability in the carbonization step was also good. However, no attention has been paid to the molding processability when obtaining the carbon fiber reinforced composite material and the fiber breakage when used as the discontinuous fiber, and there has been no idea to pay attention to them.

特許文献11および12では、炭素化工程における延伸比には特段注目されておらず、実施例では炭素化温度を高めることによりストランド弾性率を最高で343GPaまで高めている。記載はされていないものの、炭素化温度を高める従来のアプローチでは、市販の高弾性率グレードの炭素繊維と同様に、炭素繊維強化複合材料を得る際の成形加工性は低いものとなりやすい。また、不連続繊維として用いた際の繊維折損に関しては何ら着目されておらず、それらに着目する思想もなかった。 In Patent Documents 11 and 12, no particular attention is paid to the draw ratio in the carbonization step, and in the examples, the strand elastic modulus is increased up to 343 GPa by increasing the carbonization temperature. Although not mentioned, conventional approaches to increasing carbonization temperatures tend to result in poor processability in obtaining carbon fiber reinforced composites, similar to commercially available high modulus grade carbon fibers. Further, no attention has been paid to fiber breakage when it is used as a discontinuous fiber, and there is no idea to pay attention to them.

以上まとめると、従来の技術には、炭素繊維の引張弾性率と成形加工性、さらには不連続繊維として利用する際の繊維長維持のしやすさ、を高いレベルで両立させる方法が記載されておらず、最終部材としてのトータルでのコストダウンを実現するためには、これらを高いレベルで両立させる方法の獲得が課題であった。 In summary, the prior art describes a method of achieving a high level of both the tensile elastic modulus of carbon fiber and the formability, and the ease of maintaining the fiber length when used as a discontinuous fiber. However, in order to realize a total cost reduction as the final member, it was an issue to obtain a method for achieving both at a high level.

上記の目的を達成するために、本発明の炭素繊維の第1の態様は、ストランド弾性率が360GPa以上の炭素繊維であって、ストランド強度が3.5GPa以上かつ単繊維直径が6.0μm以上であり、さらに以下の要件(イ)または(ロ)を満たす炭素繊維である。
(イ)片方の端を固定端、もう一方の端を繊維束の軸に対する回転が可能な自由端としたとき、残存する撚り数が2ターン/m以上である
(ロ)炭素繊維としての単繊維繊度(g/km)とフィラメント数(本)の積である総繊度が740g/km以上である。
In order to achieve the above object, the first aspect of the carbon fiber of the present invention is a carbon fiber having a strand elastic modulus of 360 GPa or more, a strand strength of 3.5 GPa or more and a single fiber diameter of 6.0 μm or more. In addition, the carbon fiber satisfies the following requirement (a) or (b).
(A) When one end is a fixed end and the other end is a free end that is rotatable with respect to the axis of the fiber bundle, the number of remaining twists is 2 turns/m or more. (b) A single carbon fiber The total fineness, which is the product of the fiber fineness (g/km) and the number of filaments (pieces), is 740 g/km or more.

また、本発明の炭素繊維の第2の態様は、単繊維弾性率Es(GPa)とループ破断荷重A(N)が式(1)の関係を満たす炭素繊維である。
A≧−0.0017×Es+1.02 ・・・式(1)
また、本発明の炭素繊維の第3の態様は、単繊維直径が6.0μm以上であり、ストランド弾性率E(GPa)と450℃における加熱減量率が0.15%以下で評価した結節強度B(MPa)との関係が式(2)を満たし、撚り数が5〜80ターン/mである炭素繊維である。
B≧6.7×10×E−2.85 ・・・式(2)
また、本発明の炭素繊維の製造方法は、炭素繊維前駆体繊維束を空気雰囲気中において、200〜300℃の温度範囲で耐炎化処理を行い、得られた耐炎化繊維束を、不活性雰囲気中で最高温度500〜1000℃において、密度1.5〜1.8g/cmになるまで熱処理する予備炭素化を行い、さらに得られた予備炭素化繊維束を、不活性雰囲気中で熱処理する炭素化を行う炭素繊維の製造方法であって、炭素繊維前駆体繊維束の単繊維繊度が0.9dtex以上であり、炭素化処理中の張力を5mN/dtex以上に制御し、以下の(ハ)または(ニ)を満たすことを特徴とする。
(ハ)炭素化処理に供する繊維束の撚り数を2ターン/m以上とする
(ニ)得られる炭素繊維の単繊維繊度(g/km)とフィラメント数(本)の積である総繊度を740g/km以上とする
The second aspect of the carbon fiber of the present invention is the carbon fiber in which the single fiber elastic modulus Es (GPa) and the loop breaking load A (N) satisfy the relationship of the formula (1).
A≧−0.0017×Es+1.02... Formula (1)
The third aspect of the carbon fiber of the present invention is that the single fiber diameter is 6.0 μm or more, and the knot strength evaluated when the strand elastic modulus E (GPa) and the heating weight loss rate at 450° C. are 0.15% or less. The carbon fiber has a relationship with B (MPa) that satisfies the expression (2) and has a twist number of 5 to 80 turns/m.
B≧6.7×10 9 ×E −2.85 ...Equation (2)
Further, the method for producing a carbon fiber according to the present invention, the carbon fiber precursor fiber bundle is subjected to a flameproofing treatment in a temperature range of 200 to 300° C. in an air atmosphere, and the obtained flameproofed fiber bundle is subjected to an inert atmosphere. Among them, preliminary carbonization is performed by performing heat treatment at a maximum temperature of 500 to 1000° C. until the density becomes 1.5 to 1.8 g/cm 3, and the obtained precarbonized fiber bundle is heat treated in an inert atmosphere. A method for producing carbon fiber for carbonization, wherein the single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber bundle is 0.9 dtex or more, the tension during carbonization treatment is controlled to 5 mN/dtex or more, and ) Or (d) is satisfied.
(C) The number of twists of the fiber bundle to be subjected to carbonization treatment is 2 turns/m or more. (d) The total fineness, which is the product of the single fiber fineness (g/km) and the number of filaments (pieces) of the resulting carbon fiber. 740 g/km or more

本発明の炭素繊維は、優れた引張弾性率と複合材料への成形加工性を両立し、不連続繊維として用いた場合でも繊維長を維持しやすい炭素繊維である。本発明の炭素繊維は、炭素繊維の必要量低減、複合材料の生産性および力学特性の向上に有効である。 The carbon fiber of the present invention is a carbon fiber that has both excellent tensile elastic modulus and processability for forming a composite material, and can easily maintain the fiber length even when used as a discontinuous fiber. The carbon fiber of the present invention is effective in reducing the required amount of carbon fiber, improving the productivity of composite materials, and improving the mechanical properties.

本発明において、炭素繊維の単繊維およびその集合体のことを、単に炭素繊維と呼称する。本発明における炭素繊維の単繊維の集合体としては、束状、ウェブ状、あるいはそれらが複合化されたものなど、種々の形態が含まれる。本発明の炭素繊維の製造方法は後述する。 In the present invention, a single fiber of carbon fiber and an aggregate thereof are simply referred to as carbon fiber. The aggregate of carbon fibers of the present invention includes various forms such as a bundle form, a web form, or a composite form thereof. The method for producing the carbon fiber of the present invention will be described later.

本発明において、引張弾性率とは、炭素繊維の単繊維引張試験により評価した単繊維弾性率、ならびに後述する方法で評価したストランド弾性率を指す総称である。単繊維弾性率とストランド弾性率の関係は後述する。 In the present invention, the tensile elastic modulus is a general term indicating a single fiber elastic modulus evaluated by a single fiber tensile test of carbon fibers and a strand elastic modulus evaluated by a method described later. The relationship between the single fiber elastic modulus and the strand elastic modulus will be described later.

本発明の炭素繊維の第1の態様は、ストランド弾性率が360GPa以上の炭素繊維であって、ストランド強度が3.5GPa以上かつ単繊維直径が6.0μm以上であり、さらに以下の要件(イ)または(ロ)を満たす炭素繊維である。なお、(イ)および(ロ)の両方を満たせばより好ましい。
(イ)片方の端を固定端、もう一方の端を繊維束の軸に対する回転が可能な自由端としたとき、残存する撚り数が2ターン/m以上である
(ロ)炭素繊維としての単繊維繊度(g/km)とフィラメント数(本)の積である総繊度が740g/km以上である。
以下、それぞれの要件について説明する。
A first aspect of the carbon fiber of the present invention is a carbon fiber having a strand elastic modulus of 360 GPa or more, a strand strength of 3.5 GPa or more and a single fiber diameter of 6.0 μm or more, and further the following requirements (a): ) Or (b). It is more preferable to satisfy both (a) and (b).
(A) When one end is a fixed end and the other end is a free end that is rotatable with respect to the axis of the fiber bundle, the number of remaining twists is 2 turns/m or more. (b) A single carbon fiber The total fineness, which is the product of the fiber fineness (g/km) and the number of filaments (pieces), is 740 g/km or more.
Each requirement will be described below.

本発明の炭素繊維の第1の態様において、ストランド弾性率は360GPa以上である。ストランド弾性率は370GPa以上であることが好ましく、380GPa以上であることがより好ましく、400GPa以上であることがさらに好ましく、440GPa以上であることがさらに好ましい。ストランド弾性率が高いほど、炭素繊維強化複合材料とした際に炭素繊維による剛性の向上効果が大きく、高剛性な炭素繊維強化複合材料を得やすい。ストランド弾性率が360GPa以上であれば、炭素繊維強化複合材料の剛性を大幅に高めることができるため、工業的な価値が大きい。炭素繊維強化複合材料の剛性を高める観点では、炭素繊維のストランド弾性率は高いほど好ましいが、従来はストランド弾性率があまり高すぎると、炭素繊維複合材料を得る際の成形加工性の低下につながったり、不連続繊維として用いる場合は繊維長の低下につながったりしやすかった。ストランド弾性率はJIS R7608:2004に記載の、樹脂含浸ストランドの引張試験に従って評価することができる。ストランド弾性率の評価法の詳細は後述する。ストランド弾性率は種々の公知の方法で制御することができるが、本発明においては、炭素化処理における張力により制御することが好ましい。 In the first aspect of the carbon fiber of the present invention, the strand elastic modulus is 360 GPa or more. The strand elastic modulus is preferably 370 GPa or more, more preferably 380 GPa or more, further preferably 400 GPa or more, and further preferably 440 GPa or more. The higher the strand elastic modulus, the greater the effect of improving the rigidity of the carbon fiber when the carbon fiber reinforced composite material is formed, and it is easy to obtain the carbon fiber reinforced composite material having high rigidity. When the strand elastic modulus is 360 GPa or more, the rigidity of the carbon fiber reinforced composite material can be significantly increased, and thus the industrial value is great. From the viewpoint of increasing the rigidity of the carbon fiber reinforced composite material, the higher the strand elastic modulus of the carbon fiber, the more preferable, but conventionally, if the strand elastic modulus is too high, it leads to a decrease in the molding processability when obtaining the carbon fiber composite material. Or, when it was used as a discontinuous fiber, it was easy to lead to a decrease in fiber length. The strand elastic modulus can be evaluated according to the tensile test of the resin-impregnated strand described in JIS R7608:2004. The details of the method for evaluating the strand elastic modulus will be described later. The strand elastic modulus can be controlled by various known methods, but in the present invention, it is preferably controlled by the tension in the carbonization treatment.

本発明の炭素繊維の第1の態様において、ストランド強度は3.5GPa以上である。ストランド強度は3.7GPa以上であることが好ましく、3.9GPa以上であることがより好ましく、4.3GPa以上であることがさらに好ましい。ストランド強度が高いほど、通常は炭素繊維強化複合材料の引張強度も高くなりやすいため、高性能な炭素繊維強化複合材料を得ることができる。ストランド強度が極端に低い炭素繊維は、炭素繊維強化複合材料とする際の成形加工性の低下につながる場合があるが、3.5GPa以上であれば大きな問題とはならないことが多い。ストランド強度はJIS R7608:2004に記載の、樹脂含浸ストランドの引張試験に従って評価することができる。ストランド強度の評価法の詳細は後述する。ストランド強度は種々の公知の方法で制御することができるが、通常の炭素化温度を高める手法においては、ストランド弾性率を高めるにつれてストランド強度は低下傾向を示すことが多い。ストランド弾性率が高くても、ストランド強度が3.5GPa以上となる炭素繊維は、後述する本発明の炭素繊維の製造方法により得ることができる。 In the first aspect of the carbon fiber of the present invention, the strand strength is 3.5 GPa or more. The strand strength is preferably 3.7 GPa or more, more preferably 3.9 GPa or more, and further preferably 4.3 GPa or more. Generally, the higher the strand strength, the higher the tensile strength of the carbon fiber reinforced composite material, so that a high performance carbon fiber reinforced composite material can be obtained. Carbon fibers having an extremely low strand strength may lead to a decrease in moldability when forming a carbon fiber reinforced composite material, but if the fiber strength is 3.5 GPa or more, it is not a big problem in many cases. The strand strength can be evaluated according to the tensile test of the resin-impregnated strand described in JIS R7608:2004. The details of the method for evaluating the strand strength will be described later. The strand strength can be controlled by various known methods, but in the usual method of increasing the carbonization temperature, the strand strength tends to decrease as the strand elastic modulus increases. A carbon fiber having a strand strength of 3.5 GPa or more even if the strand elastic modulus is high can be obtained by the method for producing a carbon fiber of the present invention described later.

本発明の炭素繊維の第1の態様において、単繊維直径は6.0μm以上である。単繊維直径は6.5μm以上であることが好ましく、6.9μm以上であることがより好ましい。単繊維直径が大きいほど、通常はストランド弾性率とストランド強度をどちらも高いレベルで両立することが困難となる場合が多いが、本発明の炭素繊維の第1の態様によると、単繊維直径が6.0μm以上であっても両者を先述の高いレベルで両立することができる。また、単繊維直径が大きいほど、炭素繊維強化複合材料とする際に、ボビンから巻き出す際の炭素繊維同士の摩擦やローラーなどガイド部材との摩擦による毛羽立ちや、ガイド部材への毛羽の堆積が抑制されやすく、成形加工性を高めやすい。本発明の炭素繊維の第1の態様において、単繊維直径の上限に特に制限はないが、大きすぎるとストランド強度やストランド弾性率が低下しやすいため、15μm程度が一応の上限と考えればよい。また、ストランド弾性率とストランド強度を高いレベルで両立しやすい観点で、単繊維直径は7.4μm以下であることも好ましい。単繊維直径の評価方法は後述するが、繊維束の比重・目付・フィラメント数から計算してもよいし、走査電子顕微鏡観察により評価してもよい。用いる評価装置が正しく校正されていれば、いずれの方法で評価しても同等の結果が得られる。走査電子顕微鏡観察により評価する際に、単繊維の断面形状が真円でない場合、円相当直径で代用する。円相当直径は単繊維の実測の断面積と等しい断面積を有する真円の直径のことを指す。単繊維直径は炭素繊維前駆体繊維束の紡糸時の口金からの吐出量や各工程における延伸比などにより制御できる。 In the first aspect of the carbon fiber of the present invention, the single fiber diameter is 6.0 μm or more. The single fiber diameter is preferably 6.5 μm or more, more preferably 6.9 μm or more. In general, the larger the single fiber diameter, the more difficult it is to achieve both high levels of strand elasticity and strand strength. However, according to the first aspect of the carbon fiber of the present invention, the single fiber diameter is Even if it is 6.0 μm or more, both can be compatible with each other at the above-mentioned high level. Further, the larger the single fiber diameter is, the more fluffing occurs due to the friction between the carbon fibers when unwinding from the bobbin and the friction with the guide member such as a roller when the carbon fiber reinforced composite material is unwound, and the accumulation of the fluff on the guide member. It is easily suppressed and the moldability is improved. In the first aspect of the carbon fiber of the present invention, the upper limit of the single fiber diameter is not particularly limited, but if it is too large, the strand strength and the strand elastic modulus are likely to decrease, so about 15 μm may be considered as the temporary upper limit. In addition, the single fiber diameter is also preferably 7.4 μm or less from the viewpoint of easily achieving a high level of both strand elastic modulus and strand strength. Although the method for evaluating the diameter of the single fiber will be described later, it may be calculated from the specific gravity of the fiber bundle, the basis weight, and the number of filaments, or may be evaluated by observation with a scanning electron microscope. If the evaluation device used is properly calibrated, the same result can be obtained by any method. When the cross-sectional shape of the single fiber is not a perfect circle when evaluated by scanning electron microscope observation, the equivalent circle diameter is used instead. The equivalent circle diameter refers to the diameter of a true circle having a cross-sectional area equal to the measured cross-sectional area of a single fiber. The single fiber diameter can be controlled by the discharge amount from the spinneret during the spinning of the carbon fiber precursor fiber bundle, the drawing ratio in each step, and the like.

本発明の炭素繊維の第1の態様は、前記したストランド弾性率およびストランド強度、単繊維直径に関する要件に加えて、以下の要件のうち一つ以上を満たす炭素繊維である。
(イ)片方の端を固定端、もう一方の端を繊維束の軸に対する回転が可能な自由端としたとき、残存する撚り数が2ターン/m以上である
(ロ)炭素繊維としての単繊維繊度(g/km)とフィラメント数(本)の積である総繊度が740g/km以上である
これらの要件(イ)または(ロ)のいずれか、または両方を満たすことで、ストランド弾性率が高くても、成形加工性の低下を効果的に抑制でき、工業的な価値が大きい。
A first aspect of the carbon fiber of the present invention is a carbon fiber that satisfies one or more of the following requirements in addition to the requirements regarding the strand elastic modulus, the strand strength, and the single fiber diameter described above.
(A) When one end is a fixed end and the other end is a free end that is rotatable with respect to the axis of the fiber bundle, the number of remaining twists is 2 turns/m or more. (b) A single carbon fiber The total fineness, which is the product of the fiber fineness (g/km) and the number of filaments (pieces), is 740 g/km or more. By satisfying either or both of these requirements (a) and (b), the strand elastic modulus Even if it is high, the deterioration of molding processability can be effectively suppressed and the industrial value is great.

本発明の炭素繊維の第1の態様において、残存する撚り数は2ターン/m以上であることが好ましく、5ターン/m以上であることがより好ましく、10ターン/m以上であることがさらに好ましく、16ターン/m以上であることがさらに好ましく、20ターン/m以上であることがさらに好ましく、30ターン/m以上であることがさらに好ましく、46ターン/m以上であることがさらに好ましい。 In the first aspect of the carbon fiber of the present invention, the number of remaining twists is preferably 2 turns/m or more, more preferably 5 turns/m or more, and further preferably 10 turns/m or more. It is more preferably 16 turns/m or more, still more preferably 20 turns/m or more, further preferably 30 turns/m or more, and further preferably 46 turns/m or more.

本発明において固定端とは、繊維束の長手方向を軸とした回転ができないように固定された繊維束上の任意の部分であり、粘着テープなどを用いて繊維束の回転を拘束することなどによって実現できる。本発明において自由端とは、連続した繊維束をその長手方向に垂直な断面で切断したときに出現する端部のことを指し、何にも固定されておらず、繊維束の長手方向を軸とした回転が可能な端部のことである。本発明において、片端を固定端、もう一方を自由端としたとき、残存する撚り数とは、炭素繊維の繊維束が有する永久的な撚りの、1m当たりの撚り数のことを指す。半永久的な撚りとは、外力の作用なしには勝手に解けることのない撚りのことを指す。本発明においては、片端を固定端、もう一方を自由端として、実施例に記載する特定の配置で5分間静置したのちに解けずに残存している撚りのことを、半永久的な撚り、すなわち残存する撚りと定義する。残存する撚り数が2ターン/m以上であれば、ストランド弾性率が高くても成形加工性を高く維持しやすい。この理由については、定量的に明らかにできたわけではないが、定性的には次のように理解される。すなわち、残存する撚り数が2ターン/m以上である炭素繊維は、撚りのために繊維束内の単繊維の相対位置が固定されやすいため、繊維束の内部の単繊維が、繊維束同士やガイド部材などとの摩擦によるダメージを受けることなく温存されやすいと考えられる。また、残存する撚り数が5ターン/m以上であれば、毛羽が抑制されるため、炭素化工程において高い張力を付与可能となり、ストランド弾性率を効果的に高めやすい。また、残存する撚り数が20ターン/m以上であれば、毛羽が少なく繊維束のアライメントが制御されるため、結果として繊維束間の応力伝達がスムーズとなり、後述する結節強度が高まりやすい。かかる片端を固定端、もう一方を自由端としたとき、残存する撚り数は、公知の方法で制御することができる。具体的には、残存する撚り数は、炭素化処理の工程における繊維束の撚り数を調整することにより制御することができる。 In the present invention, the fixed end is an arbitrary portion on the fiber bundle that is fixed so as not to rotate about the longitudinal direction of the fiber bundle, and restrains the rotation of the fiber bundle using an adhesive tape or the like. Can be realized by In the present invention, the free end refers to an end portion that appears when a continuous fiber bundle is cut in a cross section perpendicular to the longitudinal direction, is not fixed to anything, and the longitudinal direction of the fiber bundle is the axis. It is the end that can be rotated. In the present invention, when one end is a fixed end and the other end is a free end, the remaining number of twists means the number of twists per 1 m of the permanent twist of the carbon fiber bundle. Semi-permanent twist refers to twist that cannot be unwound freely without the action of external force. In the present invention, one end is a fixed end and the other end is a free end, and the twist that remains undissolved after standing for 5 minutes in the specific arrangement described in the Examples is a semi-permanent twist, That is, it is defined as the remaining twist. If the number of remaining twists is 2 turns/m or more, it is easy to maintain high moldability even if the strand elastic modulus is high. The reason for this has not been clarified quantitatively, but is qualitatively understood as follows. That is, in the case of carbon fibers having a remaining twist number of 2 turns/m or more, the relative positions of the single fibers in the fiber bundle are easily fixed due to twisting, so that the single fibers inside the fiber bundle are It is considered that they are easily preserved without being damaged by friction with the guide member and the like. Further, if the number of remaining twists is 5 turns/m or more, fluff is suppressed, so that high tension can be applied in the carbonization step, and the strand elastic modulus can be effectively increased easily. When the number of remaining twists is 20 turns/m or more, the number of fluffs is small and the alignment of the fiber bundles is controlled. As a result, the stress transmission between the fiber bundles becomes smooth, and the knot strength described later tends to increase. When one end is a fixed end and the other end is a free end, the number of remaining twists can be controlled by a known method. Specifically, the number of remaining twists can be controlled by adjusting the number of twists of the fiber bundle in the carbonization treatment step.

前述の通り、本発明の炭素繊維の第1の態様において、総繊度は740g/km以上であることが好ましく、850g/km以上であることがより好ましく、1300g/km以上であることがより好ましく、1600g/km以上であることがさらに好ましく、2000g/km以上であることがさらに好ましい。総繊度が740g/km以上であれば、ストランド弾性率が高くても成形加工性を高く維持しやすい。この理由については、定量的に明らかにできたわけではないが、定性的には次のように理解される。すなわち、総繊度が740g/km以上である炭素繊維は、前記した摩擦によるダメージを受けやすい繊維束の最表層に存在する単繊維の、繊維束を構成する単繊維の総数に対する存在割合が小さくなるため、繊維束全体として、前記した摩擦によるダメージが軽減されやすいと考えられる。かかる総繊度は、単繊維繊度(g/km)とフィラメント数(本)の積であり、単繊維繊度およびフィラメント数を変更することにより制御できる。 As described above, in the first aspect of the carbon fiber of the present invention, the total fineness is preferably 740 g/km or more, more preferably 850 g/km or more, and further preferably 1300 g/km or more. It is more preferably 1600 g/km or more, further preferably 2000 g/km or more. When the total fineness is 740 g/km or more, it is easy to maintain high moldability even if the strand elastic modulus is high. The reason for this has not been clarified quantitatively, but is qualitatively understood as follows. That is, in the carbon fibers having a total fineness of 740 g/km or more, the ratio of the number of single fibers existing in the outermost layer of the fiber bundle susceptible to damage due to the friction to the total number of single fibers forming the fiber bundle becomes small. Therefore, it is considered that the above-mentioned damage due to friction is likely to be reduced in the entire fiber bundle. The total fineness is a product of the single fiber fineness (g/km) and the number of filaments (pieces), and can be controlled by changing the single fiber fineness and the number of filaments.

本発明の炭素繊維の第2の態様は、単繊維弾性率Es(GPa)とループ破断荷重A(N)が式(1)の関係を満たす炭素繊維である。
A≧−0.0017×Es+1.02 ・・・式(1)
式(1)における定数項は1.04であることが好ましく、1.06であることがより好ましく、1.08であることがさらに好ましく、1.10であることが特に好ましい。ループ破断荷重とは、単繊維をループ状に曲げていったとき破断が生じる際の荷重に相当し、後述の方法で評価する。また、単繊維弾性率とは、炭素繊維の単繊維としての引張弾性率のことであり、前記のストランド弾性率と一定の相関がある。本発明において、単繊維弾性率は、詳しい評価方法は後述するが、複数の試長で単繊維引張試験を行い、各試長における応力−歪み曲線の傾きを算出し、試長依存性を考慮することにより装置系のコンプライアンスの影響を除去することにより得ることができる。通常、単繊維弾性率を高めると、ループ破断荷重は低下傾向を示すことが多い。ループ破断荷重が低いと、不連続繊維としての成形加工時に、曲げ方向の力により炭素繊維が折れやすく、繊維長が短くなることにより炭素繊維強化複合材料の剛性向上効果が小さくなる。ループ破断荷重が高いほど、単繊維に曲げ方向の力がかかった際でも破損しにくいため、大きな曲げ方向の力がかかる不連続繊維としての成形加工時などに繊維長が維持されやすいため、炭素繊維強化複合材料の剛性を高めやすい。ループ破断荷重Aと単繊維弾性率Esが、式(1)の関係を満たすと、単繊維弾性率が高い割に曲げ方向の力に対して折れにくい炭素繊維となり、不連続繊維として用いた場合、炭素繊維強化複合材料の剛性を効率的に高められる。式(1)の関係を満たす炭素繊維は、後述する本発明の炭素繊維の製造方法により得ることができる。また、本発明の第1の態様である炭素繊維は、同時に第2の態様も満たすことが好ましい。かかる炭素繊維は、ストランド弾性率が高くても、成形加工性の低下を効果的に抑制できるだけでなく、不連続繊維として利用する場合に繊維長を維持しやすいため、高性能な炭素繊維強化複合材料を得やすい。
The second aspect of the carbon fiber of the present invention is the carbon fiber in which the single fiber elastic modulus Es (GPa) and the loop breaking load A (N) satisfy the relationship of the formula (1).
A≧−0.0017×Es+1.02... Formula (1)
The constant term in formula (1) is preferably 1.04, more preferably 1.06, even more preferably 1.08, and particularly preferably 1.10. The loop breaking load corresponds to the load at which breaking occurs when the single fiber is bent into a loop, and is evaluated by the method described below. The single fiber elastic modulus is the tensile elastic modulus of the carbon fiber as a single fiber, and has a certain correlation with the strand elastic modulus. In the present invention, the single fiber elastic modulus will be described in detail later, but a single fiber tensile test is performed with a plurality of test lengths, the slope of the stress-strain curve in each test length is calculated, and the test length dependence is considered. This can be obtained by removing the influence of the compliance of the device system. Usually, when the single fiber elastic modulus is increased, the loop breaking load tends to decrease. When the loop rupture load is low, the carbon fiber is likely to break due to the force in the bending direction during the molding process as a discontinuous fiber, and the fiber length becomes short, so that the effect of improving the rigidity of the carbon fiber reinforced composite material becomes small. The higher the loop breaking load, the less likely it is to break even when a force in the bending direction is applied to the single fiber, so the fiber length is easily maintained during molding processing as a discontinuous fiber to which a large bending force is applied. It is easy to increase the rigidity of the fiber reinforced composite material. When the loop breaking load A and the single fiber elastic modulus Es satisfy the relationship of the formula (1), the carbon fiber becomes a carbon fiber which is hard to be broken by the force in the bending direction even though the single fiber elastic modulus is high. The rigidity of the carbon fiber reinforced composite material can be efficiently increased. The carbon fiber satisfying the relationship of the formula (1) can be obtained by the method for producing carbon fiber of the present invention described later. Moreover, it is preferable that the carbon fiber which is the first aspect of the present invention simultaneously satisfies the second aspect. Even if the carbon fiber has a high strand elastic modulus, it is possible to effectively suppress the deterioration of the molding processability, and it is easy to maintain the fiber length when used as a discontinuous fiber. Easy to obtain material.

本発明の炭素繊維の第2の態様において、単繊維弾性率が360GPa以上であることが好ましく、370GPa以上であることがより好ましく、380GPa以上であることがさらに好ましく、400GPa以上であることがさらに好ましく、440GPa以上であることがさらに好ましい。従来は単繊維弾性率が高いほど、ループ破断荷重が低下し、不連続繊維としての成形加工時に繊維長が短くなりやすかったが、本発明の炭素繊維の第2の態様においては、単繊維弾性率に対してループ破断荷重が高めであるため、単繊維弾性率を高めても炭素繊維強化複合材料の剛性を効果的に高めることができる。単繊維弾性率の向上方法は、ストランド弾性率と同様である。 In the second aspect of the carbon fiber of the present invention, the single fiber elastic modulus is preferably 360 GPa or more, more preferably 370 GPa or more, further preferably 380 GPa or more, and further preferably 400 GPa or more. It is preferably 440 GPa or more and more preferably 440 GPa or more. Conventionally, the higher the single fiber elastic modulus, the lower the loop breaking load, and the fiber length was likely to be short during the molding process as a discontinuous fiber. However, in the second aspect of the carbon fiber of the present invention, the single fiber elasticity is Since the loop rupture load is higher than the modulus, the rigidity of the carbon fiber reinforced composite material can be effectively increased even if the single fiber elastic modulus is increased. The method for improving the single fiber elastic modulus is the same as the strand elastic modulus.

本発明の炭素繊維の第3の態様は、単繊維直径が6.0μm以上であり、ストランド弾性率E(GPa)と450℃における加熱減量率が0.15%以下で評価した結節強度B(MPa)とが式(2)の関係を満たし、撚り数が5〜80ターン/mである、炭素繊維である。
B≧6.7×10×E−2.85 ・・・式(2)
本発明の炭素繊維の第3の態様において、単繊維直径は6.0μm以上である。単繊維直径は6.5μm以上であることが好ましく、6.9μm以上であることがより好ましい。単繊維直径が大きいほど、通常はストランド弾性率と結節強度をどちらも高いレベルで両立することが困難となる場合が多いが、本発明の炭素繊維の第3の態様によると、単繊維直径が6.0μm以上であっても両者を高いレベルで両立することができる。また、単繊維直径が大きいほど、炭素繊維強化複合材料とする際に、ボビンから巻き出す際の炭素繊維同士の摩擦やローラーなどガイド部材との摩擦による毛羽立ちをより抑制することができ、成形加工性を高めることができる。本発明の炭素繊維の第3の態様において、単繊維直径の上限に特に限定されないが、大きすぎると結節強度やストランド弾性率が低下しやすいため、15μm程度が一応の上限と考えればよい。また、ストランド弾性率と結節を高いレベルで両立しやすい観点で、単繊維直径は7.4μm以下であることも好ましい。
The third aspect of the carbon fiber of the present invention is that the single fiber diameter is 6.0 μm or more, and the knot strength B (evaluated at a strand elastic modulus E (GPa) and a heating weight loss rate at 450° C. of 0.15% or less. And (MPa) satisfy the relationship of the formula (2), and the twist number is 5 to 80 turns/m.
B≧6.7×10 9 ×E −2.85 ...Equation (2)
In the third aspect of the carbon fiber of the present invention, the single fiber diameter is 6.0 μm or more. The single fiber diameter is preferably 6.5 μm or more, more preferably 6.9 μm or more. In general, the larger the single fiber diameter, the more difficult it is to achieve both high levels of both the strand elastic modulus and the knot strength. However, according to the third aspect of the carbon fiber of the present invention, the single fiber diameter is Even if it is 6.0 μm or more, both can be compatible at a high level. In addition, the larger the single fiber diameter, the more the fluffing due to the friction between the carbon fibers when unwound from the bobbin and the friction with the guide member such as the roller can be more suppressed when forming the carbon fiber reinforced composite material, and the molding process is performed. You can improve your sex. In the third aspect of the carbon fiber of the present invention, the upper limit of the single fiber diameter is not particularly limited, but if it is too large, the knot strength and the strand elastic modulus are likely to decrease, so about 15 μm may be considered as the temporary upper limit. In addition, the single fiber diameter is also preferably 7.4 μm or less from the viewpoint of easily achieving a high level of both strand elastic modulus and knot.

本発明の炭素繊維の第3の態様において、ストランド弾性率E(GPa)と450℃における加熱減量率が0.15%以下で評価した結節強度B(MPa)とが式(2)の関係を満たす。
B≧6.7×10×E−2.85 ・・・式(2)
本発明において、450℃における加熱減量率とは、詳しくは後述するが、炭素繊維を温度450℃の窒素雰囲気のオーブン中で15分間加熱したときの加熱前後での質量変化から算出する。結節強度とは、繊維軸方向以外の繊維束の力学的性質を反映する指標となるものである。複合材料を製造する際、炭素繊維束へ繊維軸方向以外の曲げ応力が負荷されており、結節強度は複合材料の製造過程で発生する繊維破断である毛羽の生成に影響する。複合材料を効率良く製造しようと、複合材料の製造時の繊維束の走行速度を高めると毛羽が発生するが、結節強度を高くすることで繊維束の走行速度が高い条件でも品位良く複合材料を得ることができる。かかる結節強度は炭素繊維束にサイジング剤が付与されると向上する傾向にある。一方、成形温度の高いマトリックスを用いる場合など、サイジング剤の熱分解物による炭素繊維とマトリックスとの接着強度低下が懸念される場合、サイジング剤を付与しないことが接着強度向上の観点から好ましい場合がある。そこで、本発明では、サイジングが付与されていない状態での炭素繊維束の結節強度を評価指標として用いる。すなわち、450℃における加熱減量率が0.15%以下で評価したとは、サイジング材が付与されていない、または、サイジング材が付与されていて450℃における加熱減量率が0.15%を超える場合にはサイジング材を除去した上で評価することを示している。サイジング剤の除去は、公知の方法で行えばよく、例えばサイジング剤が可溶な溶媒で除去する方法などが挙げられる。かかる結節強度が低いと、炭素繊維強化複合材料への成形加工時に毛羽が発生しやすく、成形加工性が低下傾向を示す。通常、ストランド弾性率を高めるほど、結節強度は低下傾向を示す。ストランド弾性率と結節強度が式(2)の関係を満たす場合には、ストランド弾性率と結節強度を高いバランスで両立することができる。式(2)における比例定数は6.9×10であることが好ましく、7.2×10であることがより好ましい。ストランド弾性率と結節強度が式(2)の関係を満たす炭素繊維は、後述する本発明の炭素繊維の製造方法により得ることができる。
In the third aspect of the carbon fiber of the present invention, the strand elastic modulus E (GPa) and the knot strength B (MPa) evaluated at a heating weight loss rate at 450° C. of 0.15% or less have the relationship of the formula (2). Fulfill.
B≧6.7×10 9 ×E −2.85 ...Equation (2)
In the present invention, the heating weight loss rate at 450° C., which will be described later in detail, is calculated from the change in mass before and after heating when the carbon fibers are heated in an oven in a nitrogen atmosphere at a temperature of 450° C. for 15 minutes. The knot strength is an index that reflects the mechanical properties of the fiber bundle other than the fiber axis direction. When manufacturing a composite material, a bending stress other than the fiber axis direction is applied to the carbon fiber bundle, and the knot strength influences the generation of fluff which is a fiber breakage occurring in the manufacturing process of the composite material. In order to efficiently manufacture the composite material, fluff occurs when the traveling speed of the fiber bundle is increased during the manufacturing of the composite material.However, by increasing the knot strength, the composite material can be produced with good quality even under the condition that the traveling speed of the fiber bundle is high. Obtainable. Such knot strength tends to improve when a sizing agent is added to the carbon fiber bundle. On the other hand, when using a matrix having a high molding temperature, when there is a concern that the adhesive strength between the carbon fiber and the matrix may be reduced due to a thermal decomposition product of the sizing agent, it may be preferable not to add the sizing agent from the viewpoint of improving the adhesive strength. is there. Therefore, in the present invention, the knot strength of the carbon fiber bundle in a state where sizing is not applied is used as an evaluation index. That is, the evaluation that the heating weight loss rate at 450° C. is 0.15% or less means that the sizing material is not applied, or the sizing material is applied and the heating weight loss rate at 450° C. exceeds 0.15%. In some cases, it is shown that the sizing material is removed before the evaluation. The sizing agent may be removed by a known method, and for example, a method of removing it with a solvent in which the sizing agent is soluble can be mentioned. When the knot strength is low, fluff is likely to be generated during the molding process into the carbon fiber reinforced composite material, and the moldability tends to decrease. Usually, the knot strength tends to decrease as the strand elastic modulus increases. When the strand elastic modulus and the knot strength satisfy the relationship of the expression (2), the strand elastic modulus and the knot strength can be compatible with each other in a high balance. The proportional constant in the formula (2) is preferably 6.9×10 9 and more preferably 7.2×10 9 . The carbon fiber in which the strand elastic modulus and the knot strength satisfy the relationship of the formula (2) can be obtained by the method for producing a carbon fiber of the present invention described later.

また、本発明の第1の態様である炭素繊維は、同時に第3の態様および/または第2の態様も満たすことが好ましい。かかる炭素繊維は、ストランド弾性率が高くても、成形加工性の低下を効果的に抑制できる。特に、成形加工時に糸繋ぎが必要になる場合、糸繋ぎ部分が破断しにくくなるため、連続生産に有利となる。 Further, it is preferable that the carbon fiber which is the first aspect of the present invention simultaneously satisfies the third aspect and/or the second aspect. Such a carbon fiber can effectively suppress deterioration of molding processability even if the strand elastic modulus is high. In particular, when yarn joining is required during molding, the yarn joining portion is less likely to break, which is advantageous for continuous production.

本発明の炭素繊維の第3の態様において、撚り数は5〜80ターン/mである。撚り数が上記範囲であれば、毛羽が少なく繊維束のアライメントが制御できるため結果として繊維束間の応力伝達がスムーズとなり結節強度が高まりやすい。成形加工時の取り扱い性を高める観点で、第3の態様における撚り数は20〜80ターン/mであることが好ましい。 In the third aspect of the carbon fiber of the present invention, the twist number is 5 to 80 turns/m. When the number of twists is within the above range, the number of fluffs is small and the alignment of the fiber bundles can be controlled. As a result, stress transmission between the fiber bundles becomes smooth and the knot strength is likely to be increased. The twist number in the third embodiment is preferably 20 to 80 turns/m from the viewpoint of improving handleability during molding.

本発明の炭素繊維は、炭素繊維束の形態を採る場合において、炭素繊維束表層の撚り角が2.0〜30.5°であることが好ましい。炭素繊維束表層の撚り角とは、炭素繊維束の最表層に存在する単繊維の繊維軸方向が、炭素繊維束の束としての長軸方向に対して成す角のことであり、直接観察してもよいが、より高精度には、撚り数とフィラメント数、単繊維直径から後述のように算出することができる。かかる撚り角を上記範囲内に制御すれば、毛羽が抑制されるため、炭素化工程において高い張力を付与可能となり、ストランド弾性率を効果的に高めやすい。本発明における炭素繊維束表層の撚り角は4.8〜30.5°であることが好ましく、4.8〜24.0°であることがより好ましく、4.8〜12.5°であることがさらに好ましく、4.8〜10.0°であることがさらに好ましい。撚り角が上記範囲を満たす炭素繊維束は、後述する本発明の炭素繊維の製造方法に従って作製することができる。具体的には、炭素繊維束表層の撚り角は、繊維束の撚り数を調整することに加えて、炭素化工程におけるフィラメント数と単繊維直径を調整することにより制御することができる。炭素繊維束のフィラメント数と単繊維直径が大きいほど同じ撚り数の繊維束に対して撚り角を大きく保つことができるため、撚りの効果を更に高めることができる。 When the carbon fiber of the present invention is in the form of a carbon fiber bundle, the twist angle of the surface layer of the carbon fiber bundle is preferably 2.0 to 30.5°. The twist angle of the carbon fiber bundle surface layer is an angle formed by the fiber axis direction of the single fibers existing in the outermost layer of the carbon fiber bundle with respect to the long axis direction of the carbon fiber bundle, and is directly observed. However, it can be calculated more accurately from the number of twists, the number of filaments, and the diameter of single fiber as described later. When the twist angle is controlled within the above range, fluff is suppressed, so that high tension can be applied in the carbonization step, and the strand elastic modulus can be effectively increased easily. The twist angle of the carbon fiber bundle surface layer in the present invention is preferably 4.8 to 30.5°, more preferably 4.8 to 24.0°, and more preferably 4.8 to 12.5°. More preferably, it is more preferably 4.8 to 10.0°. A carbon fiber bundle having a twist angle satisfying the above range can be produced according to the method for producing a carbon fiber of the present invention described later. Specifically, the twist angle of the surface layer of the carbon fiber bundle can be controlled by adjusting the number of filaments and the diameter of single fiber in the carbonization step, in addition to adjusting the number of twists of the fiber bundle. The larger the number of filaments of the carbon fiber bundle and the diameter of the single fiber, the larger the twisting angle can be maintained for the fiber bundle having the same number of twists, so that the twisting effect can be further enhanced.

本発明の炭素繊維において、結晶子サイズLc(nm)と結晶配向度π002(%)は式(3)の関係を満たすことが好ましい。
π002≧4.0×Lc+73.2 ・・・式(3)
結晶子サイズLcとは、炭素繊維中に存在する結晶子のc軸方向の厚みを表す指標である。通常、繊維束の広角X線回折により評価されることが多いが、マイクロビーム広角X線回折により単繊維1本に対して評価し、3本の単繊維に対する測定値の平均をとり、平均結晶子サイズLc(s)としてもよい。マイクロビームの大きさが単繊維直径以下である場合、平均結晶子サイズLc(s)は、単繊維の直径方向に対して複数点評価した値を平均化した値を単繊維の評価値とし、3本の単繊維について同様にして得た評価値の平均値を採用する。詳しい評価手法は後述する。なお、単繊維の広角X線回折データと一般に知られる繊維束の広角X線回折データは同等であり、平均結晶子サイズLc(s)と結晶子サイズLcとは、ほぼ同等の値をとる。発明者らが検討したところ、結晶子サイズLcが高まるほど結晶配向度π002が高まっていく傾向があり、式(3)は既知の炭素繊維のデータからその関係の上限を経験的に示している。通常、結晶子サイズLcが大きいほど、ストランド弾性率は向上する一方で、ストランド強度や結節強度、ループ破断荷重、炭素繊維強化複合材料への成形加工性は低下傾向となることが多い。また、結晶配向度π002はストランド弾性率に強く影響し、結晶配向度が高いほどストランド弾性率も高くなる。結晶配向度π002が式(3)の関係を満たすことは、結晶子サイズLcの割には結晶配向度π002が大きいことを意味しており、ストランド弾性率が高くても、ストランド強度や結節強度、ループ破断荷重、成形加工性の低下を効果的に抑制でき、工業的な価値が大きい。本発明において、式(3)における定数項は73.5であることがより好ましく、74.0であることがさらに好ましい。式(3)の関係を満たす炭素繊維は、炭素化工程における延伸張力を高めることにより得ることができる。
In the carbon fiber of the present invention, it is preferable that the crystallite size Lc (nm) and the crystal orientation degree π 002 (%) satisfy the relationship of the formula (3).
π 002 ≧4.0×Lc+73.2... Expression (3)
The crystallite size Lc is an index representing the thickness of the crystallite present in the carbon fiber in the c-axis direction. Usually, it is often evaluated by wide-angle X-ray diffraction of a fiber bundle, but it is evaluated for one single fiber by microbeam wide-angle X-ray diffraction, and the average of the measured values for three single fibers is taken to obtain an average crystal It may be the child size Lc(s). When the size of the microbeam is equal to or less than the diameter of the single fiber, the average crystallite size Lc(s) is a value obtained by averaging the values evaluated at a plurality of points in the diameter direction of the single fiber, and the evaluation value of the single fiber, The average value of the evaluation values obtained in the same manner for the three single fibers is adopted. The detailed evaluation method will be described later. The wide-angle X-ray diffraction data of a single fiber and the widely-known wide-angle X-ray diffraction data of a fiber bundle are equivalent, and the average crystallite size Lc(s) and the crystallite size Lc take almost the same value. As a result of examination by the inventors, the crystal orientation degree π 002 tends to increase as the crystallite size Lc increases, and the formula (3) empirically shows the upper limit of the relationship from the data of known carbon fibers. There is. Usually, as the crystallite size Lc increases, the strand elastic modulus increases, but the strand strength, knot strength, loop breaking load, and moldability into a carbon fiber reinforced composite material tend to decrease. Further, the crystal orientation degree π 002 strongly affects the strand elastic modulus, and the higher the crystal orientation degree, the higher the strand elastic modulus. The fact that the crystal orientation degree π 002 satisfies the relation of the expression (3) means that the crystal orientation degree π 002 is large relative to the crystallite size Lc, and even if the strand elastic modulus is high, the strand strength or It is possible to effectively suppress the deterioration of knot strength, loop rupture load and molding processability, and it has great industrial value. In the present invention, the constant term in the formula (3) is more preferably 73.5, further preferably 74.0. The carbon fiber satisfying the relationship of the formula (3) can be obtained by increasing the drawing tension in the carbonization step.

本発明の炭素繊維において、結晶子サイズLcは2.2〜3.5nmであることが好ましく、2.4〜3.3nm以上であることがより好ましく、2.6〜3.1nm以上であることがさらに好ましく、2.8〜3.1nmであることが特に好ましい。結晶子サイズLcが2.2nm以上であれば炭素繊維内部の応力負担が効果的に行われるため、単繊維弾性率を高めやすく、結晶子サイズLcが3.5nm以下であれば、応力集中原因となりにくいため、ストランド強度や結節強度、ループ破断荷重、成形加工性が高いレベルとなりやすい。結晶子サイズLcは、主に炭素化工程の処理時間や最高温度によって制御することができる。 In the carbon fiber of the present invention, the crystallite size Lc is preferably 2.2 to 3.5 nm, more preferably 2.4 to 3.3 nm or more, and 2.6 to 3.1 nm or more. More preferably, it is particularly preferably 2.8 to 3.1 nm. If the crystallite size Lc is 2.2 nm or more, the stress load inside the carbon fiber is effectively performed, so that the single fiber elastic modulus is easily increased, and if the crystallite size Lc is 3.5 nm or less, the stress concentration causes Therefore, the strand strength, knot strength, loop breaking load, and moldability tend to be high. The crystallite size Lc can be controlled mainly by the processing time of the carbonization step and the maximum temperature.

本発明の炭素繊維において、結晶配向度π002は80.0〜95.0%であることが好ましく、80.0〜90.0%であることがより好ましく、82.0〜90.0%であることがさらに好ましい。結晶配向度π002とは、炭素繊維中に存在する結晶子の繊維軸を基準とした配向角を表す指標である。結晶子サイズ同様、マイクロビーム広角X線回折により単繊維1本に対して評価し、3本の単繊維に対する測定値の平均をとり平均結晶配向度π002(s)としてもよい。マイクロビームの大きさが単繊維直径以下である場合、平均結晶配向度π002(s)は、単繊維の直径方向に対して複数点評価した値を平均化した値を単繊維の評価値とし、3本の単繊維について同様にして得た評価値の平均値を採用する。詳しい評価手法は後述する。なお、単繊維の広角X線回折データと一般に知られる繊維束の広角X線回折データは同等であり、平均結晶配向度π002(s)と結晶配向度π002とは、ほぼ同等の値をとる。結晶配向度が80.0%以上であれば、ストランド弾性率が高いものとなりやすい。結晶配向度π002(s)は、炭素化工程における温度や時間に加えて、延伸張力によって制御することができる。In the carbon fiber of the present invention, the crystal orientation degree π 002 is preferably 80.0 to 95.0%, more preferably 80.0 to 90.0%, and 82.0 to 90.0%. Is more preferable. The degree of crystal orientation π 002 is an index representing the orientation angle with reference to the fiber axis of the crystallite present in the carbon fiber. Similar to the crystallite size, one single fiber may be evaluated by microbeam wide-angle X-ray diffraction, and the average of the measured values for three single fibers may be averaged to obtain the average degree of crystal orientation π 002 (s). When the size of the microbeam is equal to or less than the diameter of the single fiber, the average degree of crystal orientation π 002 (s) is obtained by averaging the values evaluated at a plurality of points in the diameter direction of the single fiber as the evaluation value of the single fiber. The average value of the evaluation values obtained in the same manner for the three single fibers is adopted. The detailed evaluation method will be described later. The wide-angle X-ray diffraction data of a single fiber and the widely-known wide-angle X-ray diffraction data of a fiber bundle are equivalent, and the average degree of crystal orientation π 002 (s) and the degree of crystal orientation π 002 are almost equal. To take. When the crystal orientation degree is 80.0% or more, the strand elastic modulus tends to be high. The crystal orientation degree π 002 (s) can be controlled by the stretching tension in addition to the temperature and time in the carbonization step.

本発明の炭素繊維において、ストランド弾性率E(GPa)と結晶子サイズLc(nm)が式(4)の関係を満たすことが好ましい。
E×Lc−0.5≧200(GPa/nm0.5) ・・・式(4)
本発明者らが検討した結果、炭素繊維がかかる式(4)を満たすときに、ストランド弾性率と成形加工性が特に高いレベルで両立されやすいことを見いだした。かかる式(4)を満たすことでストランド弾性率と成形加工性を高いレベルで両立しやすい理由は完全に明確になったわけではないが、次のように考えられる。すなわち、多結晶材料の分野で広く用いられているホール−ペッチの式にみられるように、結晶子サイズLcの−0.5乗が、材料のある種の強さを意味する指標であると捉えると、Lc−0.5が大きいほど材料が強靱であり、小さいほどもろいことを表すものと解釈できる。したがって、式(4)を満たすことは、ストランド弾性率と、材料の強靱さの積が、一定値以上であることを意味し、ストランド弾性率と材料の強靱さが高いレベルで両立されていることを意味するものと考えられる。かかる式(4)を満たす炭素繊維は、炭素化工程における延伸張力を高めることにより得ることができる。
In the carbon fiber of the present invention, it is preferable that the strand elastic modulus E (GPa) and the crystallite size Lc (nm) satisfy the relationship of the formula (4).
E×Lc −0.5 ≧200 (GPa/nm 0.5 )... Formula (4)
As a result of examination by the present inventors, it was found that when the carbon fiber satisfies the formula (4), the strand elastic modulus and the moldability are easily compatible at a particularly high level. The reason why the strand elastic modulus and the molding processability are easily compatible at a high level by satisfying the formula (4) has not been completely clarified, but is considered as follows. That is, as seen in the Hall-Petch equation widely used in the field of polycrystalline materials, the crystallite size Lc to the -0.5th power is an index indicating a certain strength of the material. In view of this, it can be construed that the larger Lc- 0.5 is, the stronger the material is, and the smaller Lc- 0.5 is, the more brittle the material is. Therefore, satisfying the expression (4) means that the product of the strand elastic modulus and the toughness of the material is a certain value or more, and the strand elastic modulus and the toughness of the material are compatible at a high level. It is thought to mean that. The carbon fiber satisfying the formula (4) can be obtained by increasing the drawing tension in the carbonization step.

本発明の炭素繊維において、表面酸素濃度O/Cは0.05〜0.50であることが好ましい。表面酸素濃度とは、炭素繊維の表面への酸素原子を含む官能基の導入量を表す指標であり、後述する光電子分光法により評価することができる。表面酸素濃度が高いほど炭素繊維とマトリックスとの接着性が向上し、炭素繊維強化複合材料の力学特性を向上しやすい。表面酸素濃度O/Cは0.07〜0.30であることがより好ましい。表面酸素濃度O/Cが0.05以上であれば、マトリックスとの接着性が十分なレベルとなり、0.50以下であれば過剰な酸化による炭素繊維表面の剥離が抑制され、炭素繊維複合材料の力学特性が向上する。表面酸素濃度O/Cを前記の範囲にするための方法は後述する。 In the carbon fiber of the present invention, the surface oxygen concentration O/C is preferably 0.05 to 0.50. The surface oxygen concentration is an index representing the amount of functional groups containing oxygen atoms introduced to the surface of the carbon fiber, and can be evaluated by the photoelectron spectroscopy described later. The higher the surface oxygen concentration, the better the adhesion between the carbon fiber and the matrix, and the better the mechanical properties of the carbon fiber reinforced composite material. The surface oxygen concentration O/C is more preferably 0.07 to 0.30. When the surface oxygen concentration O/C is 0.05 or more, the adhesiveness with the matrix becomes a sufficient level, and when the surface oxygen concentration is 0.50 or less, peeling of the carbon fiber surface due to excessive oxidation is suppressed, and the carbon fiber composite material. Improves the mechanical properties of. A method for setting the surface oxygen concentration O/C within the above range will be described later.

本発明の炭素繊維は、炭素繊維束の形態を採る場合において、フィラメント数が10,000本以上であることが好ましい。フィラメント数は15,000本以上であることがより好ましく、20,000本以上であることがさらに好ましい。撚り数が同じであれば、フィラメント数が大きいほど撚りの中心軸と繊維束の外周との距離が大きくなるため、撚りが安定しやすく、炭素化工程において高い張力をかけても毛羽発生や破断を抑制しやすく、ストランド弾性率を効果的に高めることができるほか、成形加工性を高いものとすることができる。 When the carbon fiber of the present invention is in the form of a carbon fiber bundle, the number of filaments is preferably 10,000 or more. The number of filaments is more preferably 15,000 or more, further preferably 20,000 or more. If the number of twists is the same, the greater the number of filaments, the greater the distance between the center axis of twist and the outer circumference of the fiber bundle, so the twist is easy to stabilize, and fluff occurs or breaks even when high tension is applied in the carbonization process. Is easily suppressed, the strand elastic modulus can be effectively increased, and the molding processability can be enhanced.

以下、本発明の炭素繊維の製造方法を説明する。 Hereinafter, the method for producing the carbon fiber of the present invention will be described.

本発明の炭素繊維のもととなる炭素繊維前駆体繊維束は、ポリアクリロニトリル共重合体の紡糸溶液を紡糸して得ることができる。 The carbon fiber precursor fiber bundle which is the basis of the carbon fiber of the present invention can be obtained by spinning a spinning solution of a polyacrylonitrile copolymer.

ポリアクリロニトリル共重合体としては、アクリロニトリルのみから得られる単独重合体だけではなく、主成分であるアクリロニトリルに加えて他の単量体を用いてもよい。具体的に、ポリアクリロニトリル共重合体は、アクリロニトリルを90〜100質量%、共重合可能な単量体を10質量%未満含有することが好ましい。 As the polyacrylonitrile copolymer, not only a homopolymer obtained only from acrylonitrile but also other monomers in addition to the main component acrylonitrile may be used. Specifically, the polyacrylonitrile copolymer preferably contains 90 to 100% by mass of acrylonitrile and less than 10% by mass of a copolymerizable monomer.

アクリロニトリルと共重合可能な単量体としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸およびそれらアルカリ金属塩、アンモニウム塩および低級アルキルエステル類、アクリルアミドおよびその誘導体、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸およびそれらの塩類またはアルキルエステル類などを用いることができる。 Examples of monomers copolymerizable with acrylonitrile include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and their alkali metal salts, ammonium salts and lower alkyl esters, acrylamide and its derivatives, allylsulfonic acid, methallylsulfonic acid and Those salts or alkyl esters can be used.

前記したポリアクリロニトリル共重合体を、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、硝酸、塩化亜鉛水溶液、ロダンソーダ水溶液などポリアクリロニトリル共重合体が可溶な溶媒に溶解し、紡糸溶液とする。ポリアクリロニトリル共重合体の製造に溶液重合を用いる場合、重合に用いられる溶媒と紡糸溶媒を同じものにしておくと、得られたポリアクリロニトリル共重合体を分離し、紡糸溶媒に再溶解する工程が不要となり、好ましい。 The above-mentioned polyacrylonitrile copolymer is dissolved in a solvent in which the polyacrylonitrile copolymer is soluble, such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, nitric acid, an aqueous solution of zinc chloride, an aqueous solution of rhodanese, to prepare a spinning solution. When using solution polymerization for the production of polyacrylonitrile copolymer, if the solvent used for polymerization and the spinning solvent are the same, the resulting polyacrylonitrile copolymer is separated, the step of redissolving in the spinning solvent is It is unnecessary and preferable.

先述のようにして得た紡糸溶液を湿式、または乾湿式紡糸法により紡糸することにより、炭素繊維前駆体繊維束を製造することができる。 A carbon fiber precursor fiber bundle can be produced by spinning the spinning solution obtained as described above by a wet or dry-wet spinning method.

紡糸溶液を凝固浴中に導入して凝固させ、得られた凝固繊維束を、水洗工程、浴中延伸工程、油剤付与工程および乾燥工程を通過させることにより、炭素繊維前駆体繊維束が得られる。凝固繊維束は、水洗工程を省略して直接浴中延伸を行ってもよいし、溶媒を水洗工程により除去した後に浴中延伸を行ってもよい。浴中延伸は、通常、30〜98℃の温度に温調された単一または複数の延伸浴中で行うことが好ましい。また、上記の工程に乾熱延伸工程や蒸気延伸工程を加えてもよい。 The spinning solution is introduced into a coagulation bath to coagulate, and the coagulated fiber bundle obtained is passed through a washing step, a drawing step in the bath, an oil agent applying step and a drying step to obtain a carbon fiber precursor fiber bundle. .. The coagulated fiber bundle may be stretched directly in the bath by omitting the water washing step, or may be stretched in the bath after removing the solvent by the water washing step. Stretching in the bath is usually preferably carried out in a single or a plurality of stretching baths whose temperature is controlled at 30 to 98°C. Further, a dry heat drawing step or a steam drawing step may be added to the above steps.

炭素繊維前駆繊維束の単繊維繊度は、0.9dtex以上であることが好ましく、1.0dtex以上であることがより好ましく、1.1dtex以上であることがさらに好ましい。炭素繊維前駆体繊維束の単繊維繊度が高いほど、ローラーやガイドとの接触による繊維束の破断の発生を抑え、製糸工程および炭素繊維の耐炎化ならびに予備炭素化、炭素化工程のプロセス安定性を維持しやすい。炭素繊維前駆体繊維束の単繊維繊度が0.9dtex以上であれば、プロセス安定性を維持しやすい。炭素繊維前駆体繊維束の単繊維繊度が高すぎると、耐炎化工程において均一に処理することが難しくなる場合があり、製造プロセスが不安定となったり、得られる炭素繊維束および炭素繊維の力学的特性が低下したりすることがある。炭素繊維前駆体繊維束の単繊維繊度は、口金からの紡糸溶液の吐出量や延伸比など、公知の方法により制御できる。 The single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber bundle is preferably 0.9 dtex or more, more preferably 1.0 dtex or more, and further preferably 1.1 dtex or more. The higher the monofilament fineness of the carbon fiber precursor fiber bundle is, the more the occurrence of fiber bundle breakage due to contact with rollers and guides is suppressed, and the process stability of the spinning process, carbon fiber flame resistance, pre-carbonization and carbonization process Easy to maintain. When the single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber bundle is 0.9 dtex or more, it is easy to maintain the process stability. If the monofilament fineness of the carbon fiber precursor fiber bundle is too high, it may be difficult to perform uniform treatment in the flameproofing process, the manufacturing process becomes unstable, and the dynamics of the obtained carbon fiber bundle and carbon fiber Characteristics may deteriorate. The single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber bundle can be controlled by a known method such as the discharge amount of the spinning solution from the spinneret and the stretching ratio.

得られる炭素繊維前駆体繊維束は、通常、連続繊維の形態である。また、その1糸条あたりのフィラメント数は、1,000〜80,000本であることが好ましい。本発明において炭素繊維前駆体繊維束は、必要に応じて合糸して、得られる炭素繊維の1糸条あたりのフィラメント数を調整してもよい。 The resulting carbon fiber precursor fiber bundles are usually in the form of continuous fibers. Further, the number of filaments per yarn is preferably 1,000 to 80,000. In the present invention, the carbon fiber precursor fiber bundle may be combined as necessary to adjust the number of filaments per one yarn of the obtained carbon fiber.

本発明の炭素繊維は、前記した炭素繊維前駆体繊維束を耐炎化処理した後、予備炭素化処理、炭素化処理を順に行うことにより得ることができる。 The carbon fiber of the present invention can be obtained by subjecting the above-mentioned carbon fiber precursor fiber bundle to flameproofing treatment, and then sequentially performing preliminary carbonization treatment and carbonization treatment.

炭素繊維前駆体繊維束の耐炎化処理は、空気雰囲気中において、200〜300℃の温度範囲で行うことが好ましい。炭素繊維前駆体繊維束は耐炎化処理され、耐炎化繊維束となる。 The flameproofing treatment of the carbon fiber precursor fiber bundle is preferably performed in an air atmosphere at a temperature range of 200 to 300°C. The carbon fiber precursor fiber bundle is subjected to flameproofing treatment to be a flameproof fiber bundle.

本発明では、前記耐炎化に引き続いて、耐炎化繊維束の予備炭素化を行う。予備炭素化工程においては、耐炎化処理により得られた耐炎化繊維束を、不活性雰囲気中、最高温度500〜1000℃において、密度1.5〜1.8g/cmになるまで熱処理することが好ましい。耐炎化繊維束は予備炭素化処理され、予備炭素化繊維束となる。In the present invention, the flame-resistant fiber bundle is pre-carbonized subsequent to the flame resistance. In the pre-carbonization step, the flame-resistant fiber bundle obtained by the flame-proofing treatment is heat-treated in an inert atmosphere at a maximum temperature of 500 to 1000° C. until the density reaches 1.5 to 1.8 g/cm 3. Is preferred. The flame-resistant fiber bundle is pre-carbonized to be a pre-carbonized fiber bundle.

さらに、前記予備炭素化に引き続いて、予備炭素化繊維束の炭素化を行う。炭素化工程においては、予備炭素化処理により得られた予備炭素化繊維束を、不活性雰囲気中において炭素化処理を行う。炭素化処理の最高温度は1500℃以上とすることが好ましく、2300℃以上とすることがより好ましい。炭素化工程における最高温度は、得られる炭素繊維のストランド弾性率ならびに単繊維弾性率を高める観点からは高い方が好ましく、1500℃以上であればストランド弾性率ならびに単繊維弾性率と結節強度ならびにループ破断荷重を高いレベルで両立した炭素繊維が得られる。一方、炭化温度が高すぎると結節強度やループ破断荷重が低下する傾向にあるため、炭素化工程における最高温度は、必要とするストランド弾性率ならびに単繊維弾性率と、結節強度ならびにループ破断荷重のバランスを勘案して決定するのがよい。本発明の炭素繊維は、炭素化工程における最高温度を2300℃としても、これらの物性バランスを維持しやすい。 Further, following the preliminary carbonization, the preliminary carbonized fiber bundle is carbonized. In the carbonization step, the pre-carbonized fiber bundle obtained by the pre-carbonization treatment is carbonized in an inert atmosphere. The maximum temperature of the carbonization treatment is preferably 1500°C or higher, more preferably 2300°C or higher. The highest temperature in the carbonization step is preferably higher from the viewpoint of increasing the strand elastic modulus and single fiber elastic modulus of the obtained carbon fiber, and if it is 1500° C. or higher, the strand elastic modulus, single fiber elastic modulus, knot strength and loop are obtained. It is possible to obtain a carbon fiber having a high breaking load compatible with each other. On the other hand, if the carbonization temperature is too high, the knot strength and the loop rupture load tend to decrease, so the maximum temperature in the carbonization step is the required strand elastic modulus and single fiber elastic modulus, and the knot strength and the loop rupture load. It is good to decide in consideration of balance. The carbon fiber of the present invention can easily maintain the physical property balance even when the maximum temperature in the carbonization step is set to 2300°C.

また、本発明において、炭素化工程における張力は5mN/dtex以上であり、5〜18mN/dtexとすることが好ましく、7〜18mN/dtexとすることがより好ましく、9〜18mN/dtexとすることが特に好ましい。炭素化工程における張力は、炭素化炉出側で測定した張力(mN)を、用いた炭素繊維前駆体繊維束の単繊維繊度(dtex)とフィラメント数との積である総繊度(dtex)で除したものとする。該張力を上記の数値範囲に制御することで、得られる炭素繊維の結晶子サイズLcに大きな影響を与えることなく、結晶配向度π002を制御することができ、先述の式(1)または/および式(2)の関係を満たす炭素繊維が得られる。炭素繊維のストランド弾性率および単繊維弾性率を高める観点からは、該張力は高い方が好ましいが、高すぎると炭素化工程の通過性や、得られる炭素繊維の品位が低下する場合があり、両者を勘案して設定するのがよい。In the present invention, the tension in the carbonization step is 5 mN/dtex or more, preferably 5 to 18 mN/dtex, more preferably 7 to 18 mN/dtex, and more preferably 9 to 18 mN/dtex. Is particularly preferable. The tension in the carbonization step is the total fineness (dtex) which is the product of the single fiber fineness (dtex) of the carbon fiber precursor fiber bundle used and the number of filaments, using the tension (mN) measured at the carbonization furnace outlet side. It shall be removed. By controlling the tension within the above numerical range, the crystal orientation degree π 002 can be controlled without significantly affecting the crystallite size Lc of the obtained carbon fiber, and the above-mentioned formula (1) or/ And the carbon fiber satisfying the relationship of the formula (2) is obtained. From the viewpoint of increasing the strand elastic modulus and the single fiber elastic modulus of the carbon fiber, the tension is preferably high, but if the tension is too high, the carbonization process passability and the quality of the resulting carbon fiber may deteriorate, It is good to set it in consideration of both.

本発明の炭素繊維の製造方法において、さらに以下の要件以下の(ハ)または(二)を満たす炭素繊維の製造方法であればより好ましい。なお、(ハ)および(ニ)の両方を満たせばさらに好ましい。
(ハ)炭素化処理に供する繊維束の撚り数を2ターン/m以上とする
(ニ)得られる炭素繊維の単繊維繊度(g/km)とフィラメント数(本)の積である総繊度を740g/km以上とする
これらの(ハ)または(二)を満たすことで、ストランド弾性率が高くても、成形加工性に優れた炭素繊維となる。
In the method for producing a carbon fiber of the present invention, it is more preferable if it is a method for producing a carbon fiber that further satisfies the following requirement (c) or (ii). It is more preferable to satisfy both (c) and (d).
(C) The number of twists of the fiber bundle to be subjected to carbonization treatment is 2 turns/m or more. (d) The total fineness, which is the product of the single fiber fineness (g/km) and the number of filaments (pieces) of the resulting carbon fiber. By satisfying these (c) or (2) at 740 g/km or more, even if the strand elastic modulus is high, the carbon fiber has excellent moldability.

本発明の炭素繊維は、炭素化処理中の繊維束の撚り数が2ターン/m以上である。かかる撚り数は5ターン/m以上であることが好ましく、10ターン/m以上であることがより好ましく、16ターン/m以上であることがさらに好ましく、30ターン/m以上であることがさらに好ましく、46ターン/m以上であることがさらに好ましい。撚り数の上限は特に制限はないが、概ね60ターン/m以下とすることが生産性や炭素化工程における延伸限界を高めるためには有効である。かかる撚り数を上記範囲に制御することで、炭素繊維の製造プロセスにおいては毛羽の発生が抑制されるため、高い張力を付与することが可能となりストランド弾性率および単繊維弾性率の高い炭素繊維を得やすい。炭素化処理中の繊維束の撚り数とは、炭素化処理されている繊維束が有する撚り数のことである。撚りを付与せずに炭素化工程における張力を高めると、単繊維破断が生じ、毛羽が増加することにより、炭素化工程の通過性が低下したり、繊維束全体が破断することにより、必要な張力を維持できなかったりする場合がある。かかる撚り数は、炭素繊維前駆体繊維束または耐炎化繊維束、予備炭素化繊維束を一旦ボビンに巻き取った後、該繊維束を巻き出す際にボビンを巻き出し方向に対して直交する面に旋回させる方法や、ボビンに巻き取らず走行中の繊維束に対して回転するローラーやベルトを接触させて撚りを付与する方法などにより制御することができる。 In the carbon fiber of the present invention, the twist number of the fiber bundle during the carbonization treatment is 2 turns/m or more. The number of twists is preferably 5 turns/m or more, more preferably 10 turns/m or more, further preferably 16 turns/m or more, and further preferably 30 turns/m or more. , 46 turns/m or more is more preferable. The upper limit of the number of twists is not particularly limited, but about 60 turns/m or less is effective for increasing the productivity and the stretching limit in the carbonization step. By controlling the number of twists within the above range, generation of fluff is suppressed in the carbon fiber manufacturing process, and thus it becomes possible to apply high tension to the carbon fiber having high strand elastic modulus and single fiber elastic modulus. Easy to get. The number of twists of the fiber bundle being carbonized is the number of twists of the fiber bundle being carbonized. If the tension in the carbonization step is increased without imparting twist, single fiber breakage occurs, the number of fluffs increases, the passability of the carbonization step decreases, or the entire fiber bundle breaks, which is necessary. The tension may not be maintained in some cases. The number of twists is a surface orthogonal to the unwinding direction of the bobbin when the carbon fiber precursor fiber bundle, the flame-resistant fiber bundle, or the pre-carbonized fiber bundle is once wound around the bobbin, and then the fiber bundle is unwound. The method can be controlled by, for example, a method of swirling, or a method of imparting twist by contacting a rotating roller or belt with a running fiber bundle without being wound on a bobbin.

本発明において、炭素化処理中の繊維束のフィラメント数は10,000本以上であることが好ましく、15,000本以上であることがより好ましく、20,000本以上であることがさらに好ましい。炭素化処理中の繊維束の撚り数が同じであれば、フィラメント数が大きいほど撚りの中心軸と繊維束の外周との距離が大きくなるため、前記した撚りによる毛羽抑制効果が発現しやすく、得られる炭素繊維の単繊維弾性率を効果的に高めることができる。フィラメント数の上限に特に制限はなく、目的の用途に応じて設定すればよい。 In the present invention, the number of filaments of the fiber bundle during the carbonization treatment is preferably 10,000 or more, more preferably 15,000 or more, and further preferably 20,000 or more. If the number of twists of the fiber bundle during carbonization is the same, the larger the number of filaments, the greater the distance between the central axis of twist and the outer periphery of the fiber bundle, so that the fluff suppressing effect due to the above-described twist is easily expressed, The single fiber elastic modulus of the obtained carbon fiber can be effectively increased. The upper limit of the number of filaments is not particularly limited and may be set according to the intended use.

本発明において、不活性雰囲気に用いられる不活性ガスとしては、例えば、窒素、アルゴンおよびキセノンなどが好ましく例示され、経済的な観点からは窒素が好ましく用いられる。 In the present invention, as the inert gas used in the inert atmosphere, for example, nitrogen, argon and xenon are preferably exemplified, and nitrogen is preferably used from the economical point of view.

前記製造方法で得られた炭素繊維束は、さらに最高3000℃までの不活性雰囲気において追加の黒鉛化処理を行い、用途に応じて単繊維弾性率を適宜調整してもよい。 The carbon fiber bundle obtained by the above-mentioned production method may be subjected to additional graphitization treatment in an inert atmosphere up to 3000° C., and the elastic modulus of the single fiber may be appropriately adjusted according to the application.

以上のようにして得られた炭素繊維束は、炭素繊維とマトリックスとの接着強度を向上させるために、炭素化処理後に表面処理を施し、酸素原子を含む官能基を導入することが好ましい。表面処理方法としては、気相酸化、液相酸化および液相電解酸化が用いられるが、生産性が高く、均一処理ができるという観点から、液相電解酸化が好ましく用いられる。本発明において、液相電解酸化の方法については特に制約はなく、公知の方法で行えばよい。液相電解酸化を行う電解表面処理時の電流量としては、2〜100c/gが好ましく、2〜80c/gがより好ましい。電解表面処理時の電流量が2c/g以上であれば、炭素繊維表面に十分な酸素含有官能基が導入され樹脂との接着性が得られやすく複合材料の弾性率低下が抑制でき、100c/g以下であれば電解表面処理による炭素繊維表面の欠陥形成が抑制でき、ループ破断荷重の低下が抑制できる。 The carbon fiber bundle obtained as described above is preferably subjected to surface treatment after carbonization treatment to introduce a functional group containing an oxygen atom in order to improve the adhesive strength between the carbon fiber and the matrix. As the surface treatment method, gas phase oxidation, liquid phase oxidation and liquid phase electrolytic oxidation are used, but liquid phase electrolytic oxidation is preferably used from the viewpoint of high productivity and uniform treatment. In the present invention, the liquid-phase electrolytic oxidation method is not particularly limited, and a known method may be used. The amount of current during electrolytic surface treatment for liquid-phase electrolytic oxidation is preferably 2 to 100 c/g, more preferably 2 to 80 c/g. If the amount of current during the electrolytic surface treatment is 2 c/g or more, sufficient oxygen-containing functional groups are introduced on the carbon fiber surface, adhesion to the resin is easily obtained, and a decrease in elastic modulus of the composite material can be suppressed, and 100 c/g When it is g or less, the formation of defects on the carbon fiber surface due to the electrolytic surface treatment can be suppressed, and the decrease in the loop rupture load can be suppressed.

かかる電解表面処理などの表面処理を施すことで、炭素繊維束に酸素原子を含む官能基を導入することができ、炭素繊維束の表面酸素濃度O/Cを調整することができる。表面酸素濃度O/Cを本発明の好ましい範囲に制御するためには、表面処理における電流量や処理時間を公知の方法で調節すればよい。 By performing a surface treatment such as the electrolytic surface treatment, a functional group containing oxygen atoms can be introduced into the carbon fiber bundle, and the surface oxygen concentration O/C of the carbon fiber bundle can be adjusted. In order to control the surface oxygen concentration O/C within the preferable range of the present invention, the current amount and the treatment time in the surface treatment may be adjusted by a known method.

かかる電解処理の後、得られた炭素繊維束の取り扱い性や高次加工性をさらに高めるため、あるいは炭素繊維とマトリックスとの接着強度を高めるため、サイジング剤を付着させることもできる。サイジング剤は、炭素繊維強化複合材料に使用されるマトリックスの種類に応じて適宜選択することができる。また、取り扱い性や高次加工性の観点から、付着量などを微調整してもよい。さらに、成形温度の高いマトリックスを用いる場合など、サイジング剤の熱分解物による炭素繊維とマトリックスとの接着強度低下が懸念される場合については、サイジング付着量を可能な限り低減することや、サイジング処理を行わなくてもよい。 After such electrolytic treatment, a sizing agent may be attached in order to further improve the handleability and higher-order processability of the obtained carbon fiber bundle or to increase the adhesive strength between the carbon fiber and the matrix. The sizing agent can be appropriately selected according to the type of matrix used in the carbon fiber reinforced composite material. In addition, the amount of adhesion and the like may be finely adjusted from the viewpoint of handleability and higher workability. Furthermore, when there is a concern that the adhesive strength between the carbon fiber and the matrix due to the thermal decomposition product of the sizing agent is concerned, such as when using a matrix with a high molding temperature, the sizing adhesion amount should be reduced as much as possible, or the sizing treatment should be performed. Does not have to be performed.

本明細書に記載の各種物性値の測定方法は以下の通りである。なお、特に記載のないものは測定n数1で評価を行った。 The methods for measuring various physical properties described in this specification are as follows. In addition, those not particularly described were evaluated by measurement n number 1.

<炭素繊維のストランド強度およびストランド弾性率>
炭素繊維のストランド強度およびストランド弾性率は、JIS R7608:2004の樹脂含浸ストランド試験法に従い、次の手順に従い求める。ただし、炭素繊維の繊維束が撚りを有する場合、撚り数と同数の逆回転の撚りを付与することにより解撚してから評価する。樹脂処方としては、“セロキサイド(登録商標)”2021P(ダイセル化学工業社製)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(東京化成工業(株)製)/アセトン=100/3/4(質量部)を用い、硬化条件としては、常圧、温度125℃、時間30分を用いる。炭素繊維束のストランド10本を測定し、その平均値をストランド強度およびストランド弾性率とする。なお、ストランド弾性率を算出する際の歪み範囲は0.1〜0.6%とする。
<Strand strength and elastic modulus of carbon fiber>
The strand strength and the strand elastic modulus of the carbon fiber are determined according to the resin impregnated strand test method of JIS R7608:2004 according to the following procedure. However, when the fiber bundle of carbon fibers has a twist, it is evaluated by untwisting by imparting the same number of twists in the reverse rotation as the number of twists. As the resin formulation, "Celoxide (registered trademark)" 2021P (manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.)/3 boron monofluoride triethylamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.)/acetone=100/3/4 (parts by mass) was used. As the curing conditions, normal pressure, temperature of 125° C., and time of 30 minutes are used. Ten strands of the carbon fiber bundle are measured, and the average value is taken as the strand strength and the strand elastic modulus. The strain range for calculating the strand elastic modulus is 0.1 to 0.6%.

<炭素繊維の平均単繊維直径>
評価したい炭素繊維の単繊維断面を走査電子顕微鏡観察し、断面積を評価する。かかる断面積と同じ断面積を有する真円の直径を算出し、単繊維直径とする。単繊維直径の算出のN数は50とし、その平均値を採用する。なお、加速電圧は5keVとする。
<Average single fiber diameter of carbon fiber>
The single fiber cross section of the carbon fiber to be evaluated is observed with a scanning electron microscope to evaluate the cross sectional area. The diameter of a true circle having the same cross-sectional area as this cross-sectional area is calculated and used as the single fiber diameter. The N number for the calculation of the single fiber diameter is 50, and the average value is adopted. The acceleration voltage is 5 keV.

なお、本実施例では、走査電子顕微鏡として日立ハイテクノロジーズ社製の走査電子顕微鏡(SEM)“S−4800”を用いた。 In this example, a scanning electron microscope (SEM) "S-4800" manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation was used as the scanning electron microscope.

<片端を固定端、もう一方を自由端としたときに残存する撚り数>
水平面から60cmの高さの位置にガイドバーを設置し、炭素繊維束の任意の位置をガイドバーにテープで貼り付けることによって固定端とした後、固定端から50cm離れた箇所で炭素繊維束を切断し、自由端を形成する。自由端はテープに挟み込むように封入して、単繊維単位にほどけないように処理する。半永久的な撚り以外の一時的、あるいは時間と共に戻っていく撚りを排除するため、この状態で5分間静置したのち、回数を数えながら自由端を回転させてゆき、完全に解撚されるまでに回転させた回数n(ターン)を記録する。以下の式により、残存する撚り数を算出する。上記測定を3回実施した平均を、本発明における残存する撚り数とする。
<Number of twists remaining when one end is a fixed end and the other is a free end>
A guide bar is installed at a height of 60 cm from the horizontal plane, and the carbon fiber bundle is fixed at any position of the carbon fiber bundle with tape to the guide bar. Cut and form the free end. Enclose the free end so that it is sandwiched between tapes, and treat it so that it does not become loose. In order to eliminate twists that return temporarily or with time other than semi-permanent twists, leave this state for 5 minutes, then rotate the free end while counting the number of times until it is completely untwisted. Record the number of turns n (turns). The number of remaining twists is calculated by the following formula. The average of three times of the above measurements is taken as the number of twists remaining in the present invention.

残存する撚り数(ターン/m)=n(ターン)/0.5(m)。 Number of remaining twists (turn/m)=n (turn)/0.5 (m).

<炭素繊維の単繊維弾性率>
炭素繊維の単繊維弾性率は、JIS R7606:2000を参考とし、以下の通りにして求める。まず、20cm程度の炭素繊維の束をほぼ4等分し、4つの束から順番に単繊維をサンプリングして束全体からできるだけまんべんなくサンプリングする。サンプリングした単繊維を、10、25、50mmの穴あき台紙に固定する。固定にはニチバン株式会社製のエポキシ系接着剤“アラルダイト(登録商標)”速硬化タイプを用い、塗布後、室温で24時間静置して硬化させる。単繊維を固定した台紙を 引張試験装置に取り付け、10、25、50mmの各ゲージ長にて、歪速度40%/分、試料数15で引張試験をおこなう。各単繊維の応力(MPa)−歪み(%)曲線において、歪み0.3−0.7%の範囲の傾き(MPa/%)から、次の式により、見かけの単繊維弾性率を算出する。
<Modulus of single fiber of carbon fiber>
The single fiber elastic modulus of the carbon fiber is determined as follows with reference to JIS R7606:2000. First, a bundle of carbon fibers having a size of about 20 cm is divided into approximately four equal parts, and monofilaments are sampled in order from the four bundles, and the whole bundle is sampled as evenly as possible. The sampled monofilaments are fixed on 10, 25, 50 mm perforated mounts. An epoxy adhesive "Araldite (registered trademark)" quick-curing type manufactured by Nichiban Co., Ltd. is used for fixing, and after application, it is left standing for 24 hours at room temperature to be cured. The mount with the fixed monofilament is attached to a tensile tester, and a tensile test is performed with a strain rate of 40%/min and a sample number of 15 at gauge lengths of 10, 25, and 50 mm. In the stress (MPa)-strain (%) curve of each single fiber, the apparent single fiber elastic modulus is calculated from the slope (MPa/%) in the range of strain 0.3-0.7% by the following formula. ..

見かけの単繊維弾性率(GPa)=歪み0.3〜0.7%の範囲の傾き(MPa/%)/10
次いで、ゲージ長10、25、50mmのそれぞれについて、見かけの単繊維弾性率の平均値Eapp(GPa)を計算し、その逆数1/Eapp(GPa−1)を縦軸(Y軸)、ゲージ長L(mm)の逆数1/L(mm−1)を横軸(X軸)としてプロットする。かかるプロットにおけるY切片を読み取り、その逆数をとったものがコンプライアンス補正後の単繊維弾性率であり、本発明における単繊維弾性率は、この値を採用する。
Apparent single fiber elastic modulus (GPa)=strain 0.3 to 0.7% gradient (MPa/%)/10
Then, for each of the gauge lengths of 10, 25, and 50 mm, the average value E app (GPa) of the apparent single fiber elastic modulus is calculated, and its reciprocal 1/E app (GPa −1 ) is the vertical axis (Y axis), The reciprocal 1/L 0 (mm −1 ) of the gauge length L 0 (mm) is plotted as the horizontal axis (X axis). The Y-intercept in the plot is read, and the reciprocal thereof is taken to obtain the single fiber elastic modulus after compliance correction, and this value is adopted as the single fiber elastic modulus in the present invention.

なお、本実施例では、引張試験装置として株式会社エー・アンド・デイ製の引張試験機“テンシロンRTF−1210”を用いた。 In this example, a tensile tester "Tensilon RTF-1210" manufactured by A&D Co., Ltd. was used as a tensile tester.

<ループ破断荷重>
長さ約10cmの単繊維をスライドガラス上に置き、中央部にグリセリンを1〜2滴たらして単繊維両端部を繊維周方向に軽くねじることで単繊維中央部にループを作り、その上にカバーガラスを置く。これを顕微鏡のステージに設置し、トータル倍率が100倍、フレームレートが15フレーム/秒の条件で動画撮影を行う。ループが視野から外れないようにステージを都度調節しながら、ループさせた繊維の両端を指でスライドガラス方向に押しつけつつ逆方向に一定速度で引っ張ることで、単繊維が破断するまで歪をかける。コマ送りにより破断直前のフレームを特定し、画像解析により破断直前のループの横幅Wを測定する。単繊維直径dをWで除してd/Wを算出する。試験のn数は20とし、d/Wの平均値に単繊維弾性率Esをかけ算することによりループ強度Es×d/Wを求める。さらに、単繊維直径から求まる断面積πd/4を乗じ、πEs×d/4Wをループ破断荷重とする。
<Loop breaking load>
Place a monofilament about 10 cm long on a glass slide, drop 1-2 drops of glycerin in the center, and lightly twist both ends of the monofilament in the fiber circumferential direction to form a loop in the center of the monofilament. Put the cover glass on. This is installed on the stage of a microscope, and a moving image is photographed under the condition that the total magnification is 100 times and the frame rate is 15 frames/sec. While adjusting the stage each time so that the loop does not go out of sight, both ends of the looped fiber are pressed in the direction of the slide glass with fingers and pulled in the opposite direction at a constant speed, thereby straining the single fiber until it breaks. The frame immediately before breaking is specified by frame advance, and the lateral width W of the loop immediately before breaking is measured by image analysis. The single fiber diameter d is divided by W to calculate d/W. The number n of tests is 20, and the loop strength Es×d/W is obtained by multiplying the average value of d/W by the single fiber elastic modulus Es. Furthermore, multiplied by the cross-sectional area [pi] d 2/4 obtained from a single fiber diameter, and a loop breaking load of πEs × d 3 / 4W.

<炭素繊維束の450℃における加熱減量率>
評価対象となる炭素繊維束を質量2.5gとなるよう切断したものを直径3cm程度のカセ巻きにし、熱処理前の質量w(g)を秤量する。次いで、温度450℃の窒素雰囲気のオーブン中で15分間加熱し、デシケーター中で室温になるまで放冷した後に加熱後質量w(g)を秤量する。以下の式により、450℃における加熱減量率を計算する。なお、評価は3回行い、その平均値を採用する。
450℃における加熱減量率(%)=(w−w)/w×100(%)。
<Heating loss rate of carbon fiber bundle at 450°C>
A carbon fiber bundle to be evaluated is cut to have a mass of 2.5 g and is wound with a case having a diameter of about 3 cm, and the mass w 0 (g) before heat treatment is weighed. Then, the mixture is heated in an oven under a nitrogen atmosphere at a temperature of 450° C. for 15 minutes, allowed to cool to room temperature in a desiccator, and after heating, the mass w 1 (g) is weighed. The heating weight loss rate at 450° C. is calculated by the following formula. The evaluation is performed 3 times and the average value is adopted.
Heat loss rate (%) at 450° C.=(w 0 −w 1 )/w 0 ×100 (%).

<炭素繊維束の結節強度>
結節強度の測定は450℃における加熱時の減量率が0.15%以下の炭素繊維束を用いた。サイジングが付与された炭素繊維束を評価する場合は、アセトン中で洗浄することでサイジング剤を除去し、乾燥後の炭素繊維束を用いる。乾燥後に炭素繊維束の450℃における加熱時の減量率を評価し、0.15%以下となるまで繰り返し洗浄を行う。
<Knot strength of carbon fiber bundle>
The knot strength was measured using a carbon fiber bundle having a weight loss rate of 0.15% or less when heated at 450°C. When evaluating the sized carbon fiber bundle, the sizing agent is removed by washing in acetone and the dried carbon fiber bundle is used. After drying, the weight loss rate of the carbon fiber bundle at the time of heating at 450° C. is evaluated, and the carbon fiber bundle is repeatedly washed until it becomes 0.15% or less.

炭素繊維束が撚りを有する場合、撚り数と同数の逆回転の撚りを付与することにより解撚してから評価する。長さ150mmの上記炭素繊維束を炭素繊維束の総繊度が7000〜8500dtexとなるように分割または合糸して測定に供する炭素繊維束とする。なお、炭素繊維束の総繊度は炭素繊維束の単繊維の平均繊度(dtex)とフィラメント数との積とする。かかる炭素繊維束の両端に長さ25mmの把持部を取り付け試験体とし、試験体作製の際、0.1×10−3N/デニールの荷重をかけて炭素繊維束の引き揃えを行う。試験体の中点部分に結び目を1カ所作製し、引張時のクロスヘッド速度を100mm/分として束引張試験を行う。測定は計12本の繊維束に対して行い、最大値、最小値の2つの値を除した10本の平均値を測定値として用い、10本の標準偏差を結節強度の標準偏差として用いる。結節強度には、引張試験で得られた最大荷重値を、炭素繊維束の平均断面積値で除した値を用いる。When the carbon fiber bundle has a twist, it is evaluated by untwisting by imparting the same number of twists in the reverse rotation as the number of twists. The carbon fiber bundle having a length of 150 mm is divided or combined so that the total fineness of the carbon fiber bundle is 7,000 to 8,500 dtex to obtain a carbon fiber bundle for measurement. The total fineness of the carbon fiber bundle is the product of the average fineness (dtex) of the single fibers of the carbon fiber bundle and the number of filaments. A gripping portion having a length of 25 mm is attached to both ends of the carbon fiber bundle as a test body, and a carbon fiber bundle is aligned by applying a load of 0.1×10 −3 N/denier at the time of manufacturing the test body. A knot is made at one location at the midpoint of the test body, and a bundle tension test is performed at a crosshead speed of 100 mm/min during tensioning. The measurement is performed on a total of 12 fiber bundles, and the average value of 10 fibers obtained by dividing the two values of the maximum value and the minimum value is used as the measured value, and the standard deviation of the 10 fibers is used as the standard deviation of the knot strength. As the knot strength, a value obtained by dividing the maximum load value obtained by the tensile test by the average cross-sectional area value of the carbon fiber bundle is used.

<炭素繊維束表層の撚り角>
前記単繊維直径(μm)およびフィラメント数から以下の式により炭素繊維束全体の直径(μm)を算出した後、撚り数(ターン/m)を用いて以下の式により、炭素繊維束表層の撚り角(°)を算出する。
<Twist angle of carbon fiber bundle surface layer>
After calculating the diameter (μm) of the entire carbon fiber bundle from the single fiber diameter (μm) and the number of filaments by the following formula, twisting of the carbon fiber bundle surface layer by the following formula using the number of twists (turns/m) Calculate the angle (°).

炭素繊維束全体の直径(μm)={(単繊維直径)×フィラメント数}0.5
炭素繊維束表層の撚り角(°)=atan(繊維束全体の直径×10−6×π×撚り数)。
<炭素繊維束の結晶子サイズLcおよび結晶配向度π002
測定に供する炭素繊維束を引き揃え、コロジオン・アルコール溶液を用いて固めることにより、長さ4cm、1辺の長さが1mmの四角柱の測定試料を用意する。用意された測定試料について、広角X線回折装置を用いて、次の条件により測定を行う。
Diameter of entire carbon fiber bundle (μm)={(single fiber diameter) 2 ×number of filaments} 0.5
Twist angle (°) of carbon fiber bundle surface layer=atan (diameter of entire fiber bundle×10 −6 ×π×number of twists).
<Crystallite size Lc and crystal orientation degree π 002 of carbon fiber bundle>
A carbon fiber bundle to be used for measurement is aligned and solidified using a collodion/alcohol solution to prepare a square column measurement sample having a length of 4 cm and a side length of 1 mm. The prepared measurement sample is measured under the following conditions using a wide-angle X-ray diffractometer.

1.結晶子サイズLcの測定
・X線源:CuKα線(管電圧40kV、管電流30mA)
・検出器:ゴニオメーター+モノクロメーター+シンチレーションカウンター
・走査範囲:2θ=10〜40°
・走査モード:ステップスキャン、ステップ単位0.02°、計数時間2秒。
1. Crystallite size Lc measurement/X-ray source: CuKα ray (tube voltage 40 kV, tube current 30 mA)
・Detector: Goniometer + Monochromator + Scintillation counter ・Scanning range: 2θ = 10-40°
-Scan mode: step scan, step unit 0.02°, counting time 2 seconds.

得られた回折パターンにおいて、2θ=25〜26°付近に現れるピークについて、半値幅を求め、この値から、次のシェラー(Scherrer)の式により結晶子サイズを算出する。 In the obtained diffraction pattern, the full width at half maximum is obtained for the peak appearing in the vicinity of 2θ=25 to 26°, and the crystallite size is calculated from this value by the following Scherrer formula.

結晶子サイズ(nm)=Kλ/βcosθ
但し、
K:1.0、λ:0.15418nm(X線の波長)
β:(β −β 1/2
β:見かけの半値幅(測定値)rad、β:1.046×10−2rad
θ:Braggの回析角。
Crystallite size (nm)=Kλ/β 0 cos θ B
However,
K: 1.0, λ: 0.15418 nm (wavelength of X-ray)
β 0: (β E 2 -β 1 2) 1/2
β E : Apparent half width (measured value) rad, β 1 : 1.046×10 −2 rad
θ B : Bragg diffraction angle.

2.結晶配向度π002の測定
上述した結晶ピークを円周方向にスキャンして得られる強度分布の半値幅から次式を用いて計算して求める。
π002=(180−H)/180
但し、
H:見かけの半値幅(deg)
上記測定を3回行い、その算術平均を、その炭素繊維束の結晶子サイズおよび結晶配向度とする。
2. Measurement of degree of crystal orientation π 002 Calculated using the following formula from the half-value width of the intensity distribution obtained by scanning the above-mentioned crystal peak in the circumferential direction.
π 002 =(180-H)/180
However,
H: Apparent full width at half maximum (deg)
The above measurement is performed 3 times, and the arithmetic mean thereof is taken as the crystallite size and the crystal orientation degree of the carbon fiber bundle.

なお、後述の実施例および比較例においては、上記広角X線回折装置として、島津製作所製XRD−6100を用いた。 In Examples and Comparative Examples described below, XRD-6100 manufactured by Shimadzu Corporation was used as the wide-angle X-ray diffractometer.

<炭素繊維単繊維の平均結晶子サイズLc(s)および平均結晶配向度π002(s)>
炭素繊維束から単繊維を無作為に抜き取り、X線μビームが利用可能な装置を用いて、広角X線回折測定を行う。測定は繊維軸方向に3μm、繊維直径方向に1μmの形状に整えられた波長0.1305nmのマイクロビームを用い、単繊維を繊維直径方向に1μmステップで走査しながら行う。各ステップあたりの照射時間は2秒とする。検出器と試料との間の距離であるカメラ長は40〜200mmの範囲内に収まるように設定する。カメラ長とビームセンターの座標は、酸化セリウムを標準試料として測定することにより求める。検出された2次元回折パターンから、試料を取り外して測定した2次元回折パターンを差し引きすることで、検出器起因のダークノイズと空気由来の散乱ノイズをキャンセルし、補正後の2次元回折パターンを得る。単繊維の繊維直径方向各位置における補正後の2次元回折パターンを足し合わせることで、単繊維の繊維直径方向の平均2次元回折パターンを得る。かかる平均2次元回折パターンにおいて、繊維軸直交方向を中心として±5°の角度で扇形積分を行い、2θ方向の回折強度プロファイルを取得する。2θ方向の回折強度プロファイルを2つのガウス関数を用いて最小自乗フィッティングし、回折強度が最大となる2θの角度2θ(°)と、2つのガウス関数の合成関数の半値全幅FWHM(°)を算出する。さらに、2θ方向の回折強度プロファイルが最大となるときの角度2θ(°)を中心として±5°の幅で円周積分を行い、円周方向の回折強度プロファイルを取得する。円周方向の回折強度プロファイルを1つのガウス関数を用いて最小自乗フィッティングすることにより、半値全幅FWHMβ(°)を算出する。単繊維の結晶子サイズLc(s)および結晶配向度π002(s)を以下の式により求め、各3本の単繊維に対する結果を平均して、平均結晶子サイズLc(s)および平均結晶配向度π002(s)を算出する。
<Average crystallite size Lc (s) and average degree of crystal orientation π 002 (s) of carbon fiber single fiber>
A single fiber is randomly extracted from the carbon fiber bundle, and a wide-angle X-ray diffraction measurement is performed using an apparatus capable of using an X-ray μ beam. The measurement is performed using a microbeam having a wavelength of 0.1305 nm arranged in a shape of 3 μm in the fiber axis direction and 1 μm in the fiber diameter direction, while scanning single fibers in the fiber diameter direction in 1 μm steps. The irradiation time for each step is 2 seconds. The camera length, which is the distance between the detector and the sample, is set to be within the range of 40 to 200 mm. The camera length and beam center coordinates are determined by measuring cerium oxide as a standard sample. By subtracting the two-dimensional diffraction pattern measured by removing the sample from the detected two-dimensional diffraction pattern, the dark noise due to the detector and the scattering noise due to the air are canceled and the corrected two-dimensional diffraction pattern is obtained. .. By adding the corrected two-dimensional diffraction patterns at each position in the fiber diameter direction of the single fiber, the average two-dimensional diffraction pattern in the fiber diameter direction of the single fiber is obtained. In this average two-dimensional diffraction pattern, fan-shaped integration is performed at an angle of ±5° around the fiber axis orthogonal direction to obtain a diffraction intensity profile in the 2θ direction. The diffraction intensity profile in the 2 [Theta] direction least square fitting using the two Gaussian functions, and the angle 2 [Theta] m of 2 [Theta] diffraction intensity is maximized (°), full width at half maximum FWHM of the composite function of two Gaussian function (°) calculate. Further, circumferential integration is performed with a width of ±5° centering on the angle 2θ m (°) when the diffraction intensity profile in the 2θ direction becomes the maximum, and the diffraction intensity profile in the circumferential direction is acquired. The full width at half maximum FWHM β (°) is calculated by performing least squares fitting on the diffraction intensity profile in the circumferential direction using one Gaussian function. The crystallite size Lc(s) and the crystal orientation degree π 002 (s) of the single fiber are obtained by the following formulas, and the results for each of the three single fibers are averaged to obtain the average crystallite size Lc(s) and the average crystallite. The orientation degree π 002 (s) is calculated.

Lc(s)(nm)=Kλ/FWHMcos(2θ/2)
ここで、Scherrer係数Kは1.0、X線波長λは0.1305nmであり、半値全幅FWHMと2θは単位を角度(°)からラジアン(rad)に変換して用いる。
Lc(s) (nm)=Kλ/FWHMcos(2θ m /2)
Here, the Scherrer coefficient K is 1.0, the X-ray wavelength λ is 0.1305 nm, and the full width at half maximum FWHM and 2θ m are used by converting the unit from an angle (°) to a radian (rad).

π002(s)(%)=(180−FWHMβ)/180×100(%)。π 002 (s)(%)=(180−FWHM β )/180×100(%).

なお、本実施例では、X線μビームが利用可能な装置としてSPring−8のビームラインBL03XU(FSBL)第2ハッチを、検出器として浜松ホトニクス株式会社製のフラットパネルディテクター“C9827DK−10”(ピクセルサイズ50μm×50μm)を用いた。 In the present embodiment, the beamline BL03XU (FSBL) second hatch of SPring-8 is used as an apparatus capable of using the X-ray μ beam, and the flat panel detector “C9827DK-10” manufactured by Hamamatsu Photonics KK as a detector ( A pixel size of 50 μm×50 μm) was used.

<炭素繊維の表面酸素濃度O/C>
炭素繊維の表面酸素濃度O/Cは、次の手順に従いX線光電子分光法により求める。まず、溶媒を用いて表面に付着している汚れを除去した炭素繊維を、約20mmにカットし、銅製の試料支持台に拡げる。次に、試料支持台を試料チャンバー内にセットし、試料チャンバー中を1×10−8Torrに保つ。続いて、X線源としてAlKα1,2 を用い、光電子脱出角度を90°として測定を行う。なお、測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sのメインピーク(ピークトップ)の結合エネルギー値を286.1eVに合わせ、C1sピーク面積は282〜296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求める。また、O1sピーク面積は528〜540eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求める。ここで、表面酸素濃度とは、上記のO1sピーク面積とC1sピーク面積の比から装置固有の感度補正値を用いて原子数比として算出されるものである。なお、本実施例では、X線光電子分光法装置として、アルバック・ファイ(株)製ESCA−1600を用い、上記装置固有の感度補正値は2.33であった。
<Surface oxygen concentration O/C of carbon fiber>
The surface oxygen concentration O/C of the carbon fiber is determined by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. First, the carbon fiber from which the dirt adhering to the surface is removed using a solvent is cut into about 20 mm and spread on a sample support base made of copper. Next, the sample support table is set in the sample chamber and the inside of the sample chamber is maintained at 1×10 −8 Torr. Subsequently, AlKα 1,2 is used as the X-ray source, and the photoelectron escape angle is set to 90° and measurement is performed. Note that combined the binding energy value of the main peak (peak top) of the C 1s as a correction value of the peak due to the measurement time of the charged 286.1EV, C 1s peak area drawing a linear base line in a range of 282~296eV Seek by. Further, the O 1s peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 528 to 540 eV. Here, the surface oxygen concentration is calculated as an atomic number ratio from the ratio of the O 1s peak area and the C 1s peak area using a sensitivity correction value specific to the apparatus. In this example, ESCA-1600 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. was used as the X-ray photoelectron spectroscopy apparatus, and the sensitivity correction value peculiar to the apparatus was 2.33.

<走行安定性>
成形加工性のモデル評価として、走行安定性を次のように評価する。直径50mm、溝幅10mm、溝深さ10mmのV溝ローラー5個を、300mm間隔で直線上に固定した走行安定性評価ユニットを準備する。評価する炭素繊維束を、サイジング剤が付与されていない状態で、走行安定性評価ユニットの各V溝ローラーに対し上面、下面、上面、下面、上面と接触するようにジグザグ状に通し、ダンサーウェイトで1kgの張力を作用させながら、線速度10m/分で30分間走行させる。その後、炭素繊維束を取り除いたあとのV溝ローラー5つを目視点検した際のローラーの状態に応じて、以下のように等級をつける。
A:ローラーへの炭素繊維の付着がみられない。なお、Aのうち、150分間走行させてもローラーへの炭素繊維の付着がみられなかったものを、特にAAとする。
B:ローラーへの炭素繊維のわずかな巻き付きがみられる(5つ中1つまたは2つのローラーに巻き付きがみられる)。
C:ローラーへの炭素繊維の巻き付きがみられる。(5つ中3つまたは4つのローラーに巻き付きが見られる)
D:ローラーへの炭素繊維の巻き付きが顕著である。(5つのローラー全てに巻き付きが見られる)
<Driving stability>
As a model evaluation of molding processability, running stability is evaluated as follows. A running stability evaluation unit is prepared in which five V-groove rollers having a diameter of 50 mm, a groove width of 10 mm, and a groove depth of 10 mm are fixed on a straight line at 300 mm intervals. The carbon fiber bundle to be evaluated is passed through each V groove roller of the running stability evaluation unit in a zigzag shape so as to come into contact with the upper surface, the lower surface, the upper surface, the lower surface, and the upper surface in a state where the sizing agent is not applied, and the dancer weight While applying a tension of 1 kg, the vehicle is run at a linear velocity of 10 m/min for 30 minutes. After that, the five V-groove rollers after removing the carbon fiber bundle are graded as follows according to the state of the rollers when visually inspected.
A: No carbon fiber adhered to the roller. In addition, among A, the one in which the carbon fibers were not observed to adhere to the roller even after running for 150 minutes is particularly referred to as AA.
B: Slight wrapping of carbon fibers around the rollers (1 or 2 out of 5 rollers is found).
C: Wound of carbon fiber around the roller is seen. (3 or 4 out of 5 rollers show wrapping)
D: The winding of carbon fiber around the roller is remarkable. (Wraps are seen on all five rollers)

以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples, but the present invention is not limited thereto.

以下に記載する実施例1〜11および比較例1〜16は、次の包括的実施例に記載の実施方法において、表1または表2に記載の各条件を用いて行ったものである。 Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 16 described below were carried out by using the conditions described in Table 1 or Table 2 in the method of implementation described in the following comprehensive examples.

[包括的実施例]
アクリロニトリルおよびイタコン酸からなるモノマー組成物を、ジメチルスルホキシドを溶媒として溶液重合法により重合させ、ポリアクリロニトリル共重合体を含む紡糸溶液を得た。得られた紡糸溶液を濾過したのち、紡糸口金から一旦空気中に吐出し、ジメチルスルホキシドの水溶液からなる凝固浴に導入する乾湿式紡糸法により凝固糸条を得た。また、その凝固糸条を水洗した後、90℃の温水中で3倍の浴中延伸倍率で延伸し、さらにシリコーン油剤を付与し、160℃の温度に加熱したローラーを用いて乾燥を行い、4倍の延伸倍率で加圧水蒸気延伸を行い、単繊維繊度1.1dtexの炭素繊維前駆体繊維束を得た。次に、得られた炭素繊維前駆体繊維束を4本合糸し、単繊維本数12,000本とし、空気雰囲気240〜280℃のオーブン中で延伸比を1として熱処理し、耐炎化繊維束に転換した。
[Comprehensive Example]
A monomer composition comprising acrylonitrile and itaconic acid was polymerized by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent to obtain a spinning solution containing a polyacrylonitrile copolymer. The obtained spinning solution was filtered, then once discharged from the spinneret into the air and introduced into a coagulation bath consisting of an aqueous solution of dimethylsulfoxide to obtain a coagulated filament. In addition, after washing the coagulated yarn with water, it is drawn in warm water of 90° C. at a draw ratio of 3 times in a bath, and a silicone oil agent is further applied, followed by drying using a roller heated to a temperature of 160° C. Pressure steam drawing was performed at a draw ratio of 4 to obtain a carbon fiber precursor fiber bundle having a single fiber fineness of 1.1 dtex. Next, the obtained carbon fiber precursor fiber bundles are combined into four fibers to obtain 12,000 single fibers, and heat treated in an oven at 240 to 280° C. in an air atmosphere at a draw ratio of 1 to obtain a flame-resistant fiber bundle. Converted to.

[実施例1]
包括的実施例記載の方法で耐炎化繊維束を得たのち、得られた耐炎化繊維束に加撚処理を行い、75ターン/mの撚りを付与し、温度300〜800℃の窒素雰囲気中において、延伸比0.97として予備炭素化処理を行い、予備炭素化繊維束を得た。次いで、かかる予備炭素化繊維束に、表1に示す条件で炭素化処理を施したのち、硫酸水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維1g当たり30クーロンで電解表面処理して、表面酸素濃度(O/C)が0.09の炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はAAと、非常に高いレベルにあった。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 1]
After obtaining the flameproof fiber bundle by the method described in the comprehensive example, the obtained flameproof fiber bundle is twisted to impart a twist of 75 turns/m and in a nitrogen atmosphere at a temperature of 300 to 800°C. In, a preliminary carbonization treatment was performed at a draw ratio of 0.97 to obtain a preliminary carbonized fiber bundle. Next, the pre-carbonized fiber bundle was subjected to carbonization treatment under the conditions shown in Table 1, and then an electrolytic solution was treated with an aqueous sulfuric acid solution at an electric quantity of 30 coulombs per 1 g of carbon fiber to obtain a surface oxygen concentration. A carbon fiber bundle having an (O/C) of 0.09 was obtained. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability grade was AA, which was a very high level. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[実施例2]
撚り数を50ターン/m、炭素化処理時の張力を5.2mN/dtexとした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はAAと、非常に高いレベルにあった。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 2]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the number of twists was 50 turns/m and the tension during the carbonization treatment was 5.2 mN/dtex. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability grade was AA, which was a very high level. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[実施例3]
炭素化処理時の張力を10.2mN/dtexとした以外は、実施例2と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はAAと、非常に高いレベルにあった。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 3]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 2 except that the tension during the carbonization treatment was 10.2 mN/dtex. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability grade was AA, which was a very high level. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[実施例4]
撚り数を20ターン/m、炭素化処理時の張力を10.3mN/dtexとした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はAAと、非常に高いレベルにあった。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 4]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the number of twists was 20 turns/m and the tension during carbonization treatment was 10.3 mN/dtex. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability grade was AA, which was a very high level. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[実施例5]
包括的実施例において前駆体繊維束の合糸本数を8本とし、単繊維本数を24,000本とした以外は実施例3と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はAAと、非常に高いレベルにあった。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 5]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 3 except that the number of yarns in the precursor fiber bundle was 8 and the number of single fiber was 24,000 in the comprehensive example. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability grade was AA, which was a very high level. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[実施例6]
炭素化処理の最高温度を2350℃、炭素化処理時の張力を6.5mN/dtexとした以外は、実施例2と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はAと、高いレベルにあった。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 6]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 2 except that the maximum temperature of the carbonization treatment was 2350°C and the tension during the carbonization treatment was 6.5 mN/dtex. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability was A, which was a high level. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[実施例7]
炭素化処理時の張力を9.1mN/dtexとした以外は、実施例6と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はAと、高いレベルにあった。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 7]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 6 except that the tension during the carbonization treatment was 9.1 mN/dtex. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability was A, which was a high level. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[実施例8]
炭素化処理時の張力を11.6mN/dtexとした以外は、実施例6と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はAと、高いレベルにあった。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 8]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 6 except that the tension during the carbonization treatment was 11.6 mN/dtex. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability was A, which was a high level. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[実施例9]
撚り数を20ターン/m、炭素化処理時の張力を11.0mN/dtexとした以外は実施例5と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はAAと、非常に高いレベルにあった。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 9]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 5 except that the twist number was 20 turns/m and the tension during the carbonization treatment was 11.0 mN/dtex. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability grade was AA, which was a very high level. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[実施例10]
撚り数を5ターン/mとした以外は実施例9と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はAAと、非常に高いレベルにあった。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 10]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 9 except that the number of twists was 5 turns/m. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability grade was AA, which was a very high level. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[実施例11]
包括的実施例において前駆体繊維束の合糸本数を2本とし、単繊維本数を6,000本とした以外は実施例3と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はAと、高いレベルにあった。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 11]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 3 except that in the comprehensive example, the number of combined yarns in the precursor fiber bundle was set to 2 and the number of single fibers was set to 6,000. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability was A, which was a high level. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[比較例1]
撚り数を0ターン/m、炭素化処理時の張力を5.3mN/dtexとした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。残存する撚り数が本発明の範囲を外れるため、成形加工性の等級はBと、実施例1と比較して低下した。得られた炭素繊維の評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 1]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the number of twists was 0 turn/m and the tension during the carbonization treatment was 5.3 mN/dtex. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Since the number of remaining twists was out of the range of the present invention, the grade of moldability was B, which was lower than that of Example 1. Table 2 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[比較例2]
撚り数を0ターン/m、炭素化処理時の張力を5.4mN/dtex、最高温度を1400℃とした以外は、実施例3と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。残存する撚り数が本発明の範囲を外れるため、成形加工性の等級はBと、実施例1と比較して低下した。得られた炭素繊維の評価結果を表2に記載する。
[Comparative example 2]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 3 except that the number of twists was 0 turn/m, the tension during the carbonization treatment was 5.4 mN/dtex, and the maximum temperature was 1400°C. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Since the number of remaining twists was out of the range of the present invention, the grade of moldability was B, which was lower than that of Example 1. Table 2 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[比較例3]
炭素化処理時の張力を1.0mN/dtexとした以外は、実施例2と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。また、成形加工性の等級はAと、高いレベルにあったが、炭素化処理時の張力が本発明の範囲を外れるため、得られた炭素繊維の弾性率は実施例1と比較して低下した。得られた炭素繊維の評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 3]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 2 except that the tension during the carbonization treatment was 1.0 mN/dtex. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Further, although the molding processability grade was as high as A, the elastic modulus of the obtained carbon fiber was lower than that of Example 1 because the tension during carbonization treatment was out of the range of the present invention. did. Table 2 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[比較例4]
単繊維繊度0.8dtexの炭素繊維前駆体繊維束を用いて、炭素化処理時の張力を10.3mN/dtex、最高温度を1400℃とした以外は、実施例2と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。単繊維繊度が小さい炭素繊維前駆体繊維束を用いたため、成形加工性の等級はBと、実施例2と比較して低下した。得られた炭素繊維の評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 4]
Using a carbon fiber precursor fiber bundle having a single fiber fineness of 0.8 dtex, the carbon fiber bundle was prepared in the same manner as in Example 2 except that the tension during the carbonization treatment was 10.3 mN/dtex and the maximum temperature was 1400°C. Got The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Since the carbon fiber precursor fiber bundle having a small single fiber fineness was used, the grade of moldability was B, which was lower than that of Example 2. Table 2 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[比較例5]
炭素化処理時の張力を1.0mN/dtexとし、無撚りとした以外は、実施例2と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はBと、やや低めであった。得られた炭素繊維束の評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 5]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 2 except that the tension during the carbonization treatment was 1.0 mN/dtex and no twisting was performed. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability was B, which was rather low. Table 2 shows the evaluation results of the obtained carbon fiber bundles.

[比較例6]
単繊維繊度0.8dtexの炭素繊維前駆体繊維束を用いて、炭素化処理時の張力を10.3mN/dtex、最高温度を1900℃とした以外は、実施例2と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。残存する撚り数が本発明の範囲を外れるため、成形加工性の等級はBと、実施例2と比較して低下した。得られた炭素繊維束の評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 6]
A carbon fiber bundle was prepared in the same manner as in Example 2 except that the carbon fiber precursor fiber bundle having a single fiber fineness of 0.8 dtex was used, the tension during carbonization treatment was 10.3 mN/dtex, and the maximum temperature was 1900°C. Got The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Since the number of remaining twists was out of the range of the present invention, the grade of moldability was B, which was lower than that of Example 2. Table 2 shows the evaluation results of the obtained carbon fiber bundles.

[比較例7]
炭素化処理時の張力を1.6mN/dtexとした以外は、実施例6と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。成形加工性の等級はBと、やや低めであった。得られた炭素繊維の評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 7]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 6 except that the tension during the carbonization treatment was set to 1.6 mN/dtex. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. The moldability was B, which was rather low. Table 2 shows the evaluation results of the obtained carbon fibers.

[比較例8]
撚り数を0ターン/mとした以外は、実施例3と同様にして炭素繊維化を行った。炭素化工程において処理中の糸条が破断する現象が繰り返し起こり、炭素繊維束を採取することが困難であった。
[Comparative Example 8]
Carbon fiber was formed in the same manner as in Example 3 except that the number of twists was 0 turns/m. In the carbonization process, the phenomenon that the yarn being ruptured repeatedly occurred, and it was difficult to collect the carbon fiber bundle.

[比較例9]
撚り数を0ターン/mとした以外は、実施例2と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程において毛羽が若干みられたが、炭素繊維束を採取することができた。得られた炭素繊維束には毛羽が存在し、品位は低めであった。残存する撚り数が本発明の範囲を外れるため、成形加工性の等級はBと、実施例2と比較して低下した。評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 9]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 2 except that the number of twists was 0 turn/m. Although some fluff was observed in the carbonization process, a carbon fiber bundle could be collected. The obtained carbon fiber bundle had fluff and was of poor quality. Since the number of remaining twists was out of the range of the present invention, the grade of moldability was B, which was lower than that of Example 2. The evaluation results are shown in Table 2.

[比較例10]
炭素化処理時の張力を3.4mN/dtexとした以外は、比較例9と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程の通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。炭素化処理時の張力が本発明の範囲を外れるため、得られた炭素繊維の弾性率は実施例2と比較して低下した。また、残存する撚り数が本発明の範囲を外れるため、成形加工性の等級はBと、実施例2と比較して低下した。評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 10]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Comparative Example 9 except that the tension during the carbonization treatment was 3.4 mN/dtex. The passability in the carbonization step was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Since the tension during the carbonization treatment was out of the range of the present invention, the elastic modulus of the obtained carbon fiber was lower than that of Example 2. In addition, since the number of remaining twists was out of the range of the present invention, the grade of moldability was B, which was lower than that of Example 2. The evaluation results are shown in Table 2.

[比較例11]
包括的実施例において前駆体繊維束の合糸本数を2本として単繊維本数を6,000本とすると共に、撚り数を0ターン/mとし、炭素化処理時の張力を3.4mN/dtexとした以外は、実施例2と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程の通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。炭素化処理時の張力が本発明の範囲を外れるため、得られた炭素繊維の弾性率は実施例2と比較して低下した。残存する撚り数と総繊度が本発明の範囲を外れるため、成形加工性の等級はCと、実施例2と比較して低下した。評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 11]
In the comprehensive example, the number of composite yarns of the precursor fiber bundle was set to 2, the number of single fibers was set to 6,000, the number of twists was set to 0 turn/m, and the tension during carbonization treatment was set to 3.4 mN/dtex. A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 2 except that. The passability in the carbonization step was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Since the tension during the carbonization treatment was out of the range of the present invention, the elastic modulus of the obtained carbon fiber was lower than that of Example 2. Since the number of remaining twists and the total fineness were out of the range of the present invention, the grade of moldability was C, which was lower than that of Example 2. The evaluation results are shown in Table 2.

[比較例12]
撚り数を50ターン/mとした以外は、比較例11と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程の通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。炭素化処理時の張力が本発明の範囲を外れるため、得られた炭素繊維の弾性率は実施例2と比較して、低下した。総繊度が本発明の範囲を外れるため、成形加工性の等級はBと、実施例2と比較して低下した。評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 12]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Comparative Example 11 except that the number of twists was 50 turns/m. The passability in the carbonization step was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Since the tension during the carbonization treatment was out of the range of the present invention, the elastic modulus of the obtained carbon fiber was lower than that of Example 2. Since the total fineness was out of the range of the present invention, the grade of moldability was B, which was lower than that of Example 2. The evaluation results are shown in Table 2.

[比較例13]
包括的実施例において前駆体繊維束の単繊維繊度を0.8dtexとすると共に、炭素化処理時の張力を3.4mN/dtexとした以外は、実施例2と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程の通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。炭素化処理時の張力が本発明の範囲を外れるため、得られた炭素繊維の弾性率は実施例2と比較して低下した。単繊維繊度が小さい炭素繊維前駆体繊維束を用いたため、成形加工性の等級はBと、実施例2と比較して低下した。評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 13]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 2 except that the single fiber fineness of the precursor fiber bundle was set to 0.8 dtex and the tension during the carbonization treatment was set to 3.4 mN/dtex in the comprehensive example. It was The passability in the carbonization step was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Since the tension during the carbonization treatment was out of the range of the present invention, the elastic modulus of the obtained carbon fiber was lower than that of Example 2. Since the carbon fiber precursor fiber bundle having a small single fiber fineness was used, the grade of moldability was B, which was lower than that of Example 2. The evaluation results are shown in Table 2.

[比較例14]
撚り数を0ターン/mとした以外は、比較例13と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程の通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。炭素化処理時の張力が本発明の範囲を外れるため、得られた炭素繊維の弾性率は実施例2と比較して低下した。単繊維繊度が小さい炭素繊維前駆体繊維束を用いたことと、残存する撚り数が本発明の範囲を外れるため、成形加工性の等級はDとなり、実施例2と比較して、安定性がさらに低下した。評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 14]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Comparative Example 13 except that the number of twists was 0 turn/m. The passability in the carbonization step was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Since the tension during the carbonization treatment was out of the range of the present invention, the elastic modulus of the obtained carbon fiber was lower than that of Example 2. Since the carbon fiber precursor fiber bundle having a small single fiber fineness was used and the number of remaining twists was out of the range of the present invention, the grade of the moldability was D, and the stability was higher than that of Example 2. It dropped further. The evaluation results are shown in Table 2.

[比較例15]
包括的実施例において前駆体繊維束の合糸本数を2本として単繊維本数を6,000本とした以外は、比較例13と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程の通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。炭素化処理時の張力が本発明の範囲を外れるため、得られた炭素繊維の弾性率は実施例2と比較して低低下した。単繊維繊度が小さい炭素繊維前駆体繊維束を用いたことと、総繊度が本発明の範囲を外れるため、成形加工性の等級はCと、実施例2と比較して低下した。評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 15]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Comparative Example 13 except that in the comprehensive example, the number of combined yarns in the precursor fiber bundle was 2 and the number of single fibers was 6,000. The passability in the carbonization step was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Since the tension during the carbonization treatment was out of the range of the present invention, the elastic modulus of the obtained carbon fiber was lower than that of Example 2. Since the carbon fiber precursor fiber bundle having a small single fiber fineness was used and the total fineness was out of the range of the present invention, the moldability grade was C, which was lower than that of Example 2. The evaluation results are shown in Table 2.

[比較例16]
撚り数を0ターン/mとした以外は、比較例15と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程の通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。炭素化処理時の張力が本発明の範囲を外れるため、得られた炭素繊維の弾性率は実施例2と比較して低下した。単繊維繊度が小さい炭素繊維前駆体繊維束を用いたことと、残存する撚り数と総繊度が本発明の範囲を外れるため、成形加工性の等級はDと、実施例2と比較して安定性がさらに低下した。評価結果を表2に記載する。
[Comparative Example 16]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Comparative Example 15 except that the number of twists was 0 turn/m. The passability in the carbonization step was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Since the tension during the carbonization treatment was out of the range of the present invention, the elastic modulus of the obtained carbon fiber was lower than that of Example 2. Since the carbon fiber precursor fiber bundle having a small single fiber fineness was used, and the number of remaining twists and the total fineness were out of the range of the present invention, the moldability was D, which was stable as compared with Example 2. Sex was further reduced. The evaluation results are shown in Table 2.

[参考例1]
東レ株式会社製“トレカ(登録商標)”T700Sの評価結果を表2に記載する。また、サイジングが付与された状態での結節強度は826MPaであった。成形加工性の等級はBと、やや低めであった。
[Reference Example 1]
Table 2 shows the evaluation results of "Torayca (registered trademark)" T700S manufactured by Toray Industries, Inc. The knot strength in the sizing-applied state was 826 MPa. The moldability was B, which was rather low.

[参考例2]
東レ株式会社製“トレカ(登録商標)”M35Jの評価結果を表2に記載する。
[Reference Example 2]
Table 2 shows the evaluation results of "Torayca (registered trademark)" M35J manufactured by Toray Industries, Inc.

[参考例3]
東レ株式会社製“トレカ(登録商標)”M40Jの評価結果を表2に記載する。
[Reference Example 3]
Table 2 shows the evaluation results of "Torayca (registered trademark)" M40J manufactured by Toray Industries, Inc.

[参考例4]
東レ株式会社製“トレカ(登録商標)”M46Jの評価結果を表2に記載する。
[Reference Example 4]
Table 2 shows the evaluation results of "Torayca (registered trademark)" M46J manufactured by Toray Industries, Inc.

[参考例5]
東レ株式会社製“トレカ(登録商標)”M40の評価結果を表2に記載する。
[Reference Example 5]
Table 2 shows the evaluation results of "Torayca (registered trademark)" M40 manufactured by Toray Industries, Inc.

Figure 2019244830
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本発明は、優れた引張弾性率と複合材料への成形加工性を両立し、不連続繊維として用いた場合でも繊維長を維持しやすい炭素繊維およびその製造方法に関するものである。本発明で得られる炭素繊維束は、かかる特徴を活かし、航空機・自動車・船舶部材や、ゴルフシャフトや釣竿等のスポーツ用途などの一般産業用途に好適に用いられる。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon fiber that has both excellent tensile modulus and molding processability into a composite material, and can easily maintain the fiber length even when used as a discontinuous fiber, and a method for producing the same. Taking advantage of such characteristics, the carbon fiber bundle obtained in the present invention is suitably used for general industrial applications such as aircraft, automobile and ship members, and sports applications such as golf shafts and fishing rods.

Claims (22)

ストランド弾性率が360GPa以上の炭素繊維であって、ストランド強度が3.5GPa以上かつ単繊維直径が6.0μm以上であり、さらに以下の要件(イ)または(ロ)を満たす炭素繊維。
(イ)片方の端を固定端、もう一方の端を繊維束の軸に対する回転が可能な自由端としたとき、残存する撚り数が2ターン/m以上である
(ロ)炭素繊維としての単繊維繊度(g/km)とフィラメント数(本)の積である総繊度が740g/km以上である。
A carbon fiber having a strand elastic modulus of 360 GPa or more, a strand strength of 3.5 GPa or more, a single fiber diameter of 6.0 μm or more, and further satisfying the following requirement (a) or (b).
(A) When one end is a fixed end and the other end is a free end that is rotatable with respect to the axis of the fiber bundle, the number of remaining twists is 2 turns/m or more. (b) A single carbon fiber The total fineness, which is the product of the fiber fineness (g/km) and the number of filaments (pieces), is 740 g/km or more.
単繊維弾性率Es(GPa)とループ破断荷重A(N)が式(1)の関係を満たす、請求項1に記載の炭素繊維。
A≧−0.0017×Es+1.02 ・・・式(1)
The carbon fiber according to claim 1, wherein the single fiber elastic modulus Es (GPa) and the loop breaking load A (N) satisfy the relationship of the formula (1).
A≧−0.0017×Es+1.02... Formula (1)
単繊維直径が6.0μm以上であり、ストランド弾性率E(GPa)と450℃における加熱減量率が0.15%以下で評価した結節強度B(MPa)との関係が式(2)を満たし、撚り数が20〜80ターン/mである、請求項1または2に記載の炭素繊維。
B≧6.7×10×E−2.85 ・・・式(2)
The single fiber diameter is 6.0 μm or more, the relationship between the strand elastic modulus E (GPa) and the knot strength B (MPa) evaluated at a heating weight loss rate at 450° C. of 0.15% or less satisfies the expression (2). The carbon fiber according to claim 1 or 2, wherein the twist number is 20 to 80 turns/m.
B≧6.7×10 9 ×E −2.85 ...Equation (2)
総繊度が850g/km以上である、請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to any one of claims 1 to 3, which has a total fineness of 850 g/km or more. ストランド弾性率が440GPa以上である、請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to any one of claims 1 to 4, which has a strand elastic modulus of 440 GPa or more. 炭素繊維束表層の撚り角が2.0〜30.5°である、請求項1〜5のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to any one of claims 1 to 5, wherein the twist angle of the surface layer of the carbon fiber bundle is 2.0 to 30.5°. 炭素繊維束表層の撚り角が4.8〜10.0°である、請求項6に記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to claim 6, wherein the twist angle of the surface layer of the carbon fiber bundle is 4.8 to 10.0°. 単繊維直径が6.5μm以上である、請求項1〜7のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to any one of claims 1 to 7, which has a single fiber diameter of 6.5 µm or more. 単繊維直径が7.4μm以下である、請求項1〜8のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to claim 1, having a single fiber diameter of 7.4 μm or less. 結晶子サイズLc(nm)と結晶配向度π002(%)が式(3)の関係を満たす、請求項1〜9のいずれかに記載の炭素繊維。
π002≧4.0×Lc+73.2 ・・・式(3)
The carbon fiber according to claim 1, wherein the crystallite size Lc (nm) and the crystal orientation degree π 002 (%) satisfy the relationship of the formula (3).
π 002 ≧4.0×Lc+73.2... Expression (3)
結晶子サイズLcが2.2〜3.5nmである、請求項1〜10のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to claim 1, which has a crystallite size Lc of 2.2 to 3.5 nm. ストランド弾性率E(GPa)と結晶子サイズLc(nm)が式(4)の関係を満たす、請求項1〜11のいずれかに記載の炭素繊維。
E×Lc−0.5≧200(GPa/nm0.5) ・・・式(4)
The carbon fiber according to any one of claims 1 to 11, wherein the strand elastic modulus E (GPa) and the crystallite size Lc (nm) satisfy the relationship of formula (4).
E×Lc −0.5 ≧200 (GPa/nm 0.5 )... Formula (4)
表面酸素濃度O/Cが0.05〜0.50である、請求項1〜12のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to any one of claims 1 to 12, having a surface oxygen concentration O/C of 0.05 to 0.50. フィラメント数が10,000本以上である請求項1〜13のいずれかに記載の炭素繊維束。 The carbon fiber bundle according to any one of claims 1 to 13, wherein the number of filaments is 10,000 or more. 単繊維弾性率Es(GPa)とループ破断荷重A(N)が式(1)の関係を満たす炭素繊維。
A≧−0.0017×Es+1.02 ・・・式(1)
A carbon fiber in which the single fiber elastic modulus Es (GPa) and the loop breaking load A (N) satisfy the relationship of the formula (1).
A≧−0.0017×Es+1.02... Formula (1)
単繊維直径が6.0μm以上であり、ストランド弾性率E(GPa)と450℃における加熱減量率が0.15%以下で評価した結節強度B(MPa)との関係が式(2)を満たし、撚り数が5〜80ターン/mである炭素繊維。
B≧6.7×10×E−2.85 ・・・式(2)
The single fiber diameter is 6.0 μm or more, the relationship between the strand elastic modulus E (GPa) and the knot strength B (MPa) evaluated at a heating weight loss rate at 450° C. of 0.15% or less satisfies the expression (2). , A carbon fiber having a twist number of 5 to 80 turns/m.
B≧6.7×10 9 ×E −2.85 ...Equation (2)
単繊維弾性率またはストランド弾性率が360GPa以上である、請求項15または16に記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to claim 15 or 16, which has a single fiber elastic modulus or a strand elastic modulus of 360 GPa or more. 炭素繊維前駆体繊維束を空気雰囲気中において、200〜300℃の温度範囲で耐炎化処理を行い、得られた耐炎化繊維束を、不活性雰囲気中で最高温度500〜1000℃において、密度1.5〜1.8g/cmになるまで熱処理する予備炭素化を行い、さらに得られた予備炭素化繊維束を、不活性雰囲気中で熱処理する炭素化を行う炭素繊維の製造方法であって、炭素繊維前駆体繊維束の単繊維繊度が0.9dtex以上であり、炭素化処理中の張力を5mN/dtex以上に制御し、以下の(ハ)または(ニ)を満たす、ストランド弾性率が360GPa以上である炭素繊維の製造方法。
(ハ)炭素化処理に供する繊維束の撚り数を2ターン/m以上とする
(ニ)得られる炭素繊維の単繊維繊度(g/km)とフィラメント数(本)の積である総繊度を740g/km以上とする
The carbon fiber precursor fiber bundle is subjected to flameproofing treatment in a temperature range of 200 to 300° C. in an air atmosphere, and the obtained flameproofed fiber bundle has a density of 1 at a maximum temperature of 500 to 1000° C. in an inert atmosphere. A method for producing carbon fibers, which comprises performing pre-carbonization by heat-treating to 0.5 to 1.8 g/cm 3 and further heat-treating the obtained pre-carbonized fiber bundle in an inert atmosphere. The single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber bundle is 0.9 dtex or more, the tension during the carbonization treatment is controlled to 5 mN/dtex or more, and the following (c) or (d) is satisfied, the strand elastic modulus is A method for producing a carbon fiber of 360 GPa or more.
(C) The number of twists of the fiber bundle to be subjected to carbonization treatment is 2 turns/m or more. (d) The total fineness, which is the product of the single fiber fineness (g/km) and the number of filaments (pieces) of the resulting carbon fiber. 740 g/km or more
炭素化処理に供する繊維束の撚り数を16ターン/m以上とする、請求項18に記載の炭素繊維の製造方法。 The method for producing carbon fibers according to claim 18, wherein the number of twists of the fiber bundle subjected to the carbonization treatment is 16 turns/m or more. 炭素化処理の最高温度が1500℃以上である請求項18または19に記載の炭素繊維の製造方法。 The method for producing a carbon fiber according to claim 18 or 19, wherein the maximum temperature of the carbonization treatment is 1500°C or higher. 炭素化処理の最高温度が2300℃以上である請求項20に記載の炭素繊維の製造方法。 The method for producing carbon fiber according to claim 20, wherein the maximum temperature of the carbonization treatment is 2300° C. or higher. 炭素化処理後に電流量2〜100c/gで電解表面処理を行う、請求項18〜21のいずれかに記載の炭素繊維の製造方法。 The method for producing a carbon fiber according to claim 18, wherein the electrolytic surface treatment is performed with a current amount of 2 to 100 c/g after the carbonization treatment.
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